Moderne Experimente der Kernphysik

1. Moderne Experimente der Kernphysik Wintersemester 2011/12Vorlesung 22 – 08.02.2012 Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

2. Hyperkerne Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

3. Quarkstruktur von Hadronen • Hyperonen und Kaonen • Hyperkerne • Produktion von Hyperkernen • Hypernukleare Einteilchenniveaus • g-Spektroskopie von Hyperkernen • LN-Wechselwirkung • Zerfall von Hyperkernen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

4. Hyperonen Nukleonen z.B. D- Proton Neutron L0 S- X- W- u u d u d d d d d d d s s s ... u d d s s s s Isospin T = 1/2 1/2 Tz= 1/2 -1/2 3/2 -3/2 0 1 1/2 0 0 -1 -1/2 0 Quark-Struktur - Baryonen Strangeness S = 0 0 0 -1 -1 -2 -3 • Quantenzahlen des Isospins (T,Tz) „zählen“ die u- und d-Quarks • Quantenzahl Strangeness S „zählt“ die s-Quarks Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

5. Quarkstruktur - Mesonen p- p+ p0 K+ K0 K- d u s d d d u + ... d u s u s u u Isospin T = 1 1 1 1/2 1/2 1/2 Tz= 1* -1 0 1/2 -1/2 -1/2 Strangeness S = 0 0 0 1 -1 1 *Anti-Quarks haben Tz mit umgekehrtem Vorzeichen im Vergleich zum jeweiligen Quark Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

6. Eigenschaften von L - Hyperon und K±- Kaonen L - Hyperon K±- Kaonen • Starke Wechselwirkung erhält Strangeness Þ • Hyperonen können nur schwach zerfallen Û relativ lange Lebensdauern • Hyperonen können sich im Kontakt mit Nukleonen im Kern aufhalten • èHyperkerne Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

7. … eine neue Dimension in der Kernphysik Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

8. L-Hyperkerne also z.B. besteht aus 2 p, 2 n und 1 L besteht aus 2 p, 2 n und 2 L A: Anzahl der Baryonen im Kern Review Article: O. Hashimoto, H. Tamura, Prog. Part. Nucl. Phys. 57, 6564 (2006) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

9. Erster experimenteller Nachweis (1953) Erster Hyperkern experimentell nachgewiesen als Spur auf einer Emulsionsplatte, die in 26 km Höhe kosmischer Strahlung ausgesetzt war p • Proton aus kosmischer Strahlung trifft auf • einen Kern A. Es enstehen in der Reaktion • mehrere geladene Teilchen. • Eines zerfällt nach einer Flugzeit von etwa • 10-10 s (also z.B. sehr viel länger als typische • Zeitskala für nicht-gebundenen Compound- • kern) in drei geladene Fragmente. • Interpretation mit Plausibitätsargumenten • Energieverlust f(A,Z,E) ↔ Reichweite • Tracklänge ↔ Energie/Lebensdauer • Energie- und Impulserhaltung bei Zerfall • Neutrale Teilchen hinterlassen keine Spur Heute werden Emulsionsplatten nur noch selten verwendet, z.B. in OPERA zur Messung der Produkte von Reaktionen der t-Neutrinos Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

10. Erster experimenteller Nachweis p Beobachtete Reaktion: Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

11. “Strangeness exchange reaction” “Associated production reaction” p-Beam mit einigen GeV @ CERN, BNL, KEK, … e±-Kollider mit 510 MeV @ LNF Direkte “hadronische” Produktion Direkte elektromagnetische Produktion @ MAMI, JLab, … @ COSY, … Produktion von Hyperkernen … sekundäre K oder p-Strahlen: Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

12. Produktion von Hyperkernen Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

13. Meson-Austausch-Modell T = 1/2 1 1/2 N N p, ... N N T = 0 1 1/2 N L p, ... L • L ist schwächer gebunden als Nukleonen, z.B. • L kann nicht mit Nukleonen über Austauch eines Isovektormesons wechselwirken • Þ Tensorkomponente der starken Wechselwirkung ist in LN-WW schwach • Schalenstruktur des (A-1)-Kerns wird von L nur wenig verändert N LN-Wechselwirkung Bindungsenergien von L-Hyperkernen Þ V r L - 28 MeV r Nukleon - 55 MeV Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

14. Einteilchenzustand des Valenznukleons ist experimentell gut zugänglich, z.B. Transfer, Knockout, g-Faktoren etc. „Valenzhyperon“ kann alle hypernuklearen Einteilchenzustände im Kern besetzen (kein Pauli-Blocking) Einteilchenzustände für tief gebundene Nukleonen sind aufgrund von RestWW stark fragmentiert (Konfigurationsmischung) und damit praktisch nicht beobachtbar L-Einteilchenzustände EFermi l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

15. Hypernukleare Einteilchenniveaus VLS: Spin-Bahn-Kopplung Die Vorstellung des Schalenmodells von unabhängigen Teilchen kann somit experimentell auch für tiefgebundene Zustände verifiziert werden!!!! Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

16. K+ „Hyperball“ Ge - Array 1.05 GeV p+ KEK 1.05 GeV p+ 12 GeV p Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

17. 25 cm dickes Target!!!! Hyperball @ KEK Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

18. DSAM Lebensdauermessung Simulierte Linienformen g-Spektroskopie von 7LLi Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

19. M1 M1 E2 M1 SN - Abstand der Core-Level D,SL,T - Dublett-Splitting ... kann nur mit Ge-Detektoren gemessen werden!!!! LN-Potential Spin-Spin-WW } Spin-Bahn-WW Tensor-WW Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

20. Theorie: 3.85 fm 2.94 fm Lwirkt als zusätzlicher “Leim” und schrumpft den 6Li-Core!!! Interpretation der Lebensdauer Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

21. Zerfall von Hyperkern (L eingebaut in einen Kern ... der Aufenthalt in schweren Kernen ist also meist “lebensverlängernd”!?! (wie auch beim Neutron, das im Kern sogar “stabil” werden kann) Zerfall von Hyperkernen Zerfall des freien L Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

22. N N X l N Λ Nicht-mesonischer Zerfall: π,K,η,ρ,ω,K* virtuelles p Zerfall von Hyperkernen EFermi l l l l l l l l l l l l l L im Hyperkern kann NICHT wie freies L zerfallen!!!! … wieder ein Effekt des Pauli-Prinzips l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l Prozess ist NUR innerhalb von Hyperkernen möglich … hängt im Prinzip also von der Kernstruktur ab! Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

23. Résumé Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

24. Schwerste Elemente … bekannt bis Z=118 Abbruchkante für Protonen (proton dripline) … bekannt bis etwa Z=50 Abbruchkante für Neutronen (neutron dripline) … nur bekannt bis Z=8 Weltkarte der Kerne • etwa 2500 Isotope bekannt • davon knapp 300 stabil • mindestens weitere 3500 • theoretisch vorhergesagt Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

25. "Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält." Faust I Warum Kerne studieren? Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

26. Evolution magischer Zahlen? Nukleosynthese? Fragestellungen der Kernphysik • Was sind Grenzen für die • Existenz gebundener Kerne? • Wie lassen sich komplexe • Kerne aus der Bewegung ihrer • Bausteine beschreiben? • Evolution abseits der Stabilität? • Woher kommen die chemischen • Elemente im Universum? • Wie hängt Kernkraft mit starker • Wechselwirkung zusammen? NuPECC Long Range Plan 2004 Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

27. effektive, “freie” Nukleon-Nukleon Wechselwirkung “Kernkraft” QCD ”starke WW” Quarks & Gluonen ? Effektive NN-Wechselwirkung Schalenmodell Protonen & Neutronen ? Ab-initio Modelle è leichte Kerne (A12) Schwere Kerne Kollektivmodelle Hierarchie der starken Wechselwirkung (I) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

28. Hierarchie der starken Wechselwirkung (II) Quarks Nukleonen ... sehr unterschiedliche Größen- und Energieskalen ... und doch hat alles die gleiche Natur Kerne Fernziel: Einheitliche Beschreibung aller Phänomene der starken Wechselwirkung Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

29. Experimentelle Kernspektroskopie = Indizien sammeln Magisch oder nicht magisch …??? Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

30. San Vitale (Ravenna) Kernspektroskopie – viele Mosaiksteinchen ergeben das Gesamtbild t(2+) b2 Ip BE(Z,A) B(E2; 0+à2+) Eg S2n B(E2; 2+à0+) E(2+) C2S m(Z,A) < If || E2 || Ii > aK Q2(2+) Sn Dℓ r2(E0; 0+à0+) d(E2/M1) BGT(g9/2àg7/2) g(2+) Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

31. höhere Intensitäten • exotischere Kerne • … aber auch • neue Methoden • neue Instrumente … neue Anlage ... und wie geht’s weiter? Es gibt noch viel zu entdecken … Terra incognita ¬ ¬ … und das Unerwartete!!!! Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

32. FAIR ... neue Möglichkeiten in Darmstadt Facility for Antiproton and Ion Research ... und anderswo! Viele neue oder ausgebaute Anlagen weltweit. Kernphysik ist derzeit ein sehr aktives Forschungsfeld! Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

33. 100Sn: 1/s 132Sn: 108/s 78Ni: 1/s 54Ca: 106/s Erwartete Strahlintensitäten Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22

34. Gute Experimente brauchen gute Detektoren ... und hier sind dann die Experimentalphysiker gefragt mit den neuen Möglichkeiten auch etwas anzufangen!! Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22