In der Kern- und Teilchenphysik treten die Strukturfunktionen in inelastischen Streuprozessen an Kernen und Nukleonen (Proton und Neutron) auf. Sie geben an, wie stark die Streuung in Abhängigkeit von der dabei zwischen den Streupartnern übertragenen Energie und dem Impuls ist. Durch ihre Messung lassen sich Rückschlüsse auf die innere Struktur der Stoßpartner ziehen, insbesondere auf die Impulsverteilungen der in den Nukleonen enthaltenen Quarks. Bei elastischen Streuprozessen sind die elektrischen und magnetischen Formfaktoren die Analoga der Strukturfunktionen.
Mithilfe der Strukturfunktionen bei der tief-inelastischen Elektron-Nukleon-Streuung wurde das Partonmodell entwickelt und überprüft, d.h. das Modell für zusammengesetzte Protonen und Neutronen aus Quarks. Außerdem lassen sich der Spin und die elektrische Ladung der Quarks mittels der Strukturfunktionen experimentell bestimmen.
Experimentelle Bestimmung
Analog zur Rosenbluth-Formel für elastische Streuprozesse gilt für den doppelt differentiellen Wirkungsquerschnitt
- $ {\frac {d^{2}\sigma }{d\Omega \,dE^{\prime }}}=\left({\frac {d\sigma }{d\Omega }}\right)_{\mathrm {Mott} }\left[W_{2}(Q^{2},\nu )+2W_{1}(Q^{2},\nu )\,\tan ^{2}(\theta /2)\right]\;{\textrm {,}} $
dabei sind
- $ \left(d\sigma /d\Omega \right)_{\mathrm {Mott} } $ der Mott-Wirkungsquerschnitt,
- $ Q^{2} $ der übertragene Viererimpuls,
- $ \nu =E-E^{\prime } $ die übertragene Energie (im Laborsystem),
- $ \theta $ der Streuwinkel,
- $ W_{1},W_{2} $ die Strukturfunktionen.
Misst man nun den Wirkungsquerschnitt bei festen $ Q^{2} $ und $ \nu $ für verschiedene Streuwinkel und trägt in Analogie zum Rosenbluth-Plot $ \tan ^{2}(\theta /2) $ auf der x-Achse und $ (d^{2}\sigma /d\Omega \,dE^{\prime }):\left(d\sigma /d\Omega \right)_{\mathrm {Mott} } $ auf der y-Achse auf, so nimmt der doppelt differentielle Wirkungsquerschnitt die einfache lineare Form
- $ y(x)=W_{2}+2W_{1}\cdot x $
an, wobei $ W_{2} $ der Achsenabschnitt und $ 2W_{1} $ die Steigung sind. Das muss man für viele Werte von $ Q^{2} $ und $ \nu $ wiederholen um die Strukturfunktionen $ W_{1}(Q^{2},\nu ) $ und $ W_{2}(Q^{2},\nu ) $ zu bestimmen.
Dimensionslose Strukturfunktionen
Häufig gibt man statt $ W_{1} $ und $ W_{2} $ die dimensionslosen Strukturfunktionen
- $ F_{1}(x,Q^{2})=M\,c^{2}W_{1}(Q^{2},\nu )\qquad F_{2}(x,Q^{2})=\nu \,W_{2}(Q^{2},\nu ) $
an, welche von der Bjorken-Skala x abhängen.
Bei der inelastischen Streuung von Neutrinos an Nukleonen tritt noch eine dritte Strukturfunktion $ F_{3}^{\nu N} $ auf, die explizit die Paritätsverletzung der Neutrinos berücksichtigt.
Strukturfunktionen und Partonmodell
Die dimensionslosen Strukturfunktionen $ F_{1} $ und $ F_{2} $ hängen von der Bjorken-Skala $ x $ ab, aber nur sehr schwach vom Viererimpulsübertrag $ Q^{2} $ (Skaleninvarianz). Daraus folgt, dass die Nukleonen aus kleineren punktförmigen Teilchen (Partonen) bestehen.
Bestimmung des Quark-Spins
Die dimensionslosen Strukturfunktionen erfüllen die Callan-Gross-Beziehung $ F_{2}(x)=2x\,F_{1}(x) $. Das bedeutet, dass die Partonen Teilchen mit Spin 1/2 sind.
Hätten die Partonen Spin 0, so wäre $ F_{1}(x)=0 $, da diese Strukturfunktion dem magnetischen Formfaktor entspricht.
Bestimmung der elektrischen Ladung der Quarks
Um die drittelzahlige elektrische Ladung der Quarks zu bestimmen, vergleicht man die gemessenen Strukturfunktionen $ F_{2}^{eN}(x) $ aus der Elektron-Nukleon-Streuung und $ F_{2}^{\nu N}(x) $ aus der Neutrino-Nukleon-Streuung miteinander.
- Elektron-Nukleon-Streuung: Da Elektronen nicht an der starken Wechselwirkung teilnehmen, kann die Streuung von Elektronen an Nukleonen nur an der elektrischen Ladung z der Quarks erfolgen. Die Strukturfunktion muss deshalb von z abhängen:
- $ F_{2}^{eN}(x)=x\cdot \sum _{f}z_{f}^{2}\left(q_{f}(x)+{\bar {q}}_{f}(x)\right) $
Die Summe läuft über alle relevanten Quarktypen, also u-, d- und s-Quarks. Alle anderen Quarktypen sind zu schwer um beizutragen. $ z_{f} $ gibt die elektrische Ladung des jeweiligen Quarktyps in Einheiten der Elementarladung an. $ q_{f}(x) $ und $ {\bar {q}}_{f}(x) $ bezeichnen die Impulsverteilungen der Quarks und Antiquarks.
- Neutrino-Nukleon-Streuung: Da Neutrinos weder an der starken Wechselwirkung, noch an der elektromagnetischen Kraft teilnehmen, geht die elektrische Ladung der Quarks an dieser Stelle nicht in die Strukturfunktion ein:
- $ F_{2}^{\nu N}(x)=x\cdot \sum _{f}\left(q_{f}(x)+{\bar {q}}_{f}(x)\right) $
Durch Vergleich der Messergebnisse dieser beiden Strukturfunktionen lässt sich die Quarkladung bestimmen. Sie stimmt mit den vorhergesagten drittelzahligen Werten überein.
