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The structure of the proton is under the microscope at the U.S. Department of Energys Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) in Newport News, Virginia, where a series of experiments continues to produce unexpected results.
Simple theories of proton structure say that the way electric charge is distributed in the proton is the same as the magnetization distribution. But Jefferson Lab results indicate these distributions are definitely different.
A fundamental goal of nuclear physics is to understand the structure and behavior of strongly interacting matter in terms of its building blocks, quarks and gluons. An important step toward this goal is a description of the internal structure for the proton and neutron, collectively known as nucleons. Jefferson Lab was built, in part, to study the physics of quarks and gluons and their connection to larger composite objects like protons.
The proton is the positively charged core of the hydrogen atom, the most abundant element in the universe. It is made up of three charged quarks and the gluons that bind them together. The quarks move around, so the proton has a charge distributed over its size. This leads to the generation of an electric current, which in turn induces a magnetic field. In addition, quarks and gluons both have spin, leading to a magnetic moment. The combination of the total magnetic field and the magnetic moment is a quantity called magnetization.
Jefferson Lab is uniquely positioned to measure the protons electric charge and magnetization distributions, the so-called electromagnetic form factors that describe its internal structure.
In two recent Jefferson Lab experiments, researchers directed the accelerators polarized electron beam toward liquid hydrogen cooled to 17 Kelvin (–429°F). Each electron in the beam has an intrinsic angular momentum, or spin. The beam of electrons is said to be "polarized" if their spins point — on average — in a specific direction. As an electron collided with a proton in the hydrogen target, the proton recoiled, becoming polarized during the interaction. The scattered electron and recoiling proton were then detected in two high-resolution spectrometers (HRS), and the proton polarization was measured by a specially developed detector called a proton polarimeter.
From these measurements, the researchers could obtain a ratio of electric charge distribution to magnetization distribution — the electric and magnetic form factors — at various depths inside the proton. Their experiments revealed unexpected and significantly different energy-dependence for the form factors. The data showed that the protons charge distribution is not the same as its magnetization distribution; the charge distribution is more spread out than the magnetization.
These results are very interesting to both experimental and theoretical physicists. The Jefferson Lab data has already had an impact on theoretical models, helping rule out some models, directing others toward a better description of internal proton structure.
One such model was developed in 1996 by physicists Gerald A. Miller and Michael R. Frank, both from the University of Washington in Seattle, and Byron K. Jennings from TRIUMF in Vancouver. The researchers predicted a fall-off in the ratio of the electromagnetic form factors but, at the time, they didnt realize that experimental confirmation was possible. When the results of the first Jefferson Lab experiments probing proton structure were announced in 2000, the prediction was confirmed.
An interesting by-product of Millers theory is that the proton is not necessarily spherical in shape. Depending on the angular momentum of the quarks, the proton could be spherical in shape or more like a doughnut, a pretzel or a peanut. Miller says the variety of shapes is nearly limitless, and depends on the momentum of the quarks and the angle between the spin of the quark and the spin of the proton.
Media contact: Linda Ware, Jefferson Lab Public Affairs Manager, 757-268-7689, ware@jlab.org
Technical contacts: Vina Punjabi (punjabi@jlab.org); Charles Perdrisat (perdrisa@jlab.org)
Linda Ware | Quelle: Jefferson Lab
Weitere Informationen: www.jlab.org/div_dept/dir_off/public_affairs/news_releases/2003/03protonshape.html
New method proposed for detecting gravitational waves from ends of universe
17.05.2013 | University of Nevada, Reno
Scientists Shape First Global Topographic Map of Saturn’s Moon Titan
17.05.2013 | Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory
Supraleitungssensoren der PTB ermöglichen hochempfindliche Messungen der magnetischen Kernresonanz dünner Helium-3-Schichten - aktuelle Veröffentlichung in Science
Tieftemperatur-Spezialisten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben mit ihren SQUIDs dazu beigetragen, dass die magnetischen Momente von Atomen des seltenen Isotopes 3He (Helium-3) extrem empfindlich gemessen werden konnten. Mithilfe dieser Sensoren wurden hochempfindliche Kernresonanzspektrometer entwickelt, die jetzt tiefe Einblicke in den Zustand der Materie bei extrem tiefen Temperaturen lieferten.
Konkret sperrte ...
Gut 99 Prozent des gesamten Eises an Land ist in den riesigen Eisschilden der Antarktis und Grönlands gespeichert, nur knapp ein Prozent dagegen in Gletschern.
Die Schmelzwasser dieser Gletscher trugen im Zeitraum 2003 bis 2009 etwa genauso viel zum Anstieg des Meeresspiegels bei, wie die beiden Eisschilde: rund einen Drittel. Dies ist eines der Resultate einer internationalen Studie mit Beteiligung von UZH-Geographen.
Wieviel alle Gletscher zum Anstieg des Meeresspiegels beitragen, wurde noch nie so genau ...
Siemens hat das weltweit erste kabellose Ultraschallgerät vorgestellt. Der Schallkopf ist mit einer Hand gut bedienbar und überträgt das Ultraschallbild per Radiofrequenz auf den Bildschirm.
Das Fehlen der Kabel ist vor allem bei Operationen oder interventionellen Eingriffen von Vorteil, wo beispielsweise Nadeln mit Hilfe von Ultraschall visualisiert werden. Die Kabel am Schallkopf behindern die Person, die das Gerät bedient, und sie können trotz steriler Schutzhüllen ein Infektionsrisiko darstellen.
Das kabellose Acuson Freestyle arbeitet bis zu ...
Siemens will mit einem großen Touch-Display Bahnbetreibern helfen, Störungen besser zu bewältigen.
Das Display mit rund 1,50 Metern Diagonale veranschaulicht alle Daten und Fakten, um Entscheidungen treffen zu können. Herzstück der Lösung ist eine Software, die mit Hilfe mathematischer Optimierungsalgorithmen bisher entkoppelte Systeme wie Wartung oder Zugdisposition vernetzt.
Bisher reagieren einzelne Abteilungen von Bahnbetreibern weitgehend unabhängig auf Störfälle, weil sie über das ...
Forschern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF und des Karlsruher Instituts für Technologie KIT ist es gelungen, 40 Gbit/s bei 240 GHz und über eine Entfernung von einem Kilometer per Funk zu übertragen.
Mit ihrer jüngsten Demonstration haben sie einen neuen Weltrekord erzielt und knüpfen damit erstmals nahtlos an die Kapazität von Glasfaser an. Solche Richtfunkstrecken könnten zukünftig Lücken in der Versorgung mit Breitband-Internet schließen, indem die drahtlosen Links das Netz an schwer zugänglichen Stellen oder im ländlichen Raum ergänzen.
Digital, mobil und ...
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DNA-Variante beeinflusst Diabetesrisiko und Behandlungserfolg
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