The book of nature is written in the language of mathematics 
–
Galileo Galilei 

Toen wetenschappers het bestaan van het proton aantoonden, begonnen ze te zoeken naar de eigenschappen van dit deeltje. Experimenten werden opgezet en theorieën geformuleerd. Geleidelijk aan werden de typische eigenschappen van dit nieuwe deeltje in kaart gebracht. 
Zo merkte men dat bij harde, hoogenergetische proton-protonbotsingen, protonen uiteenspatten in een groot aantal fragmenten. Uit de verschillende energieën van deze fragmenten kan men kennis vergaren over de kenmerken van proton-protonbotsingen. Elk kenmerk laat immers zijn wiskundige handtekening na. Mijn scriptie beschrijft een theoretische studie van deze handtekeningen. Er zijn experimentele data beschikbaar over deze kenmerken. Afwijkingen in deze data waren nog niet verklaard. Mijn scriptie poogt de handtekening te identificeren van deze ‘zogezegde’ afwijkingen. 

Deeltjesversnellers

Wij nemen de natuur waar door verstrooiing. Neem nu een boeket bloemen. Dat kan je waarnemen door de reflectie van het licht van de zon op de bloemen naar je ogen. Hierbij worden fotonen  ‘verstrooid’ door de bloemen. Om subatomaire deeltjes te observeren worden botsingsexperimenten uitgevoerd. Zoals fotonen verstrooid worden door het boeket bloemen, zo kan men elektronen laten verstrooien door protonen. De richting en energie van deze elektronen kan men meten en zo kunnen we de structuur van het proton achterhalen. Dit is een eerste belangrijk experiment om de structuur van het proton te begrijpen. 
Als we twee protonen laten botsen met elkaar ontstaan vele fragmenten. We bestuderen dan de energieën van deze fragmenten. 
Op verschillende plaatsen in de wereld staan er deeltjesversnellers waar botsingen tussen protonen worden opgewekt en waarvan de impact op de deeltjes in die kernen (quarks onder andere) wordt gemeten. De resultaten van die metingen worden gepubliceerd en kunnen gebruikt worden door wetenschappers over de hele wereld. 

Analogie tussen het observeren van een bloemstukje en het observeren van een proton in elektron-protonverstrooiing.

Protonschaduw

Bij elke proton-protonbotsing wordt niet één deeltje, maar een vlaag aan fragmenten geproduceerd. Men is erin geslaagd om een algoritme te schrijven dat, uit de veelheid aan geregistreerde fragmenten in de detectoren van de deeltjesversneller, de individuele proton-protoninteracties kan reconstrueren. Theoretisch kan men de frequentie van deze interacties voorspellen. Nu blijken er in de praktijk minder interacties opgemerkt te worden dan wat de theorie voorspelt. Dit kan men verklaren doordat de materie van het proton de verstrooide fragmenten afremt. Deze ‘schaduw” kan men opsporen. 

Mijn thesis

Het doel van mijn scriptie is om een beschrijving te geven van zeer harde, inelastische proton-protonbotsingen aan de hand van de gemeten energieën van de geproduceerde fragmenten. De processen die deze fragmenten produceren zijn de interactiekans (botsingsdoorsnede) van twee quarks en het uiteenvallen (fragmentatiegedrag) van het verstrooide, aangeslagen quark. Ze leveren een goede beschrijving van proton-protonbotsingen. Wat hierdoor niet kan worden verklaard is het klein fractaal karakter van de gemeten energieverdeling. Hiervoor zocht ik in de experimentele data naar ‘symptomen’ die hiervoor een verklaring konden zijn, en die deze wiskundige handtekening achterlaten. 

Jef Moerman

Master of Science in de Fysica en de Sterrenkunde 

Promotor: Prof. Dr. J. Ryckebusch 

Analyse van het -spectrum van hadronische fragmenten bij diep-inelastische proton-protonverstrooiing vanuit het perspectief van schaalinvariantie

Bronnen:

• Illustratie figuur 2: https://news.vanderbilt.edu/2012/07/06/higgs/