Moderne Experimente der Kernphysik

08.02.2012Moderne Experimente der Kernphysik | Prof. Thorsten Kröll | Vorlesung 22 1

Moderne Experimenteder Kernphysik

Wintersemester 2011/12

Vorlesung 22 – 08.02.2012


Hyperkerne


• Quarkstruktur von Hadronen

• Hyperonen und Kaonen

• Hyperkerne

• Produktion von Hyperkernen

• Hypernukleare Einteilchenniveaus

• -Spektroskopie von Hyperkernen

• N-Wechselwirkung

• Zerfall von Hyperkernen


Quark-Struktur - BaryonenQuark-Struktur - Baryonen

Strangeness S = 0 0 0 -1 -1 -2 -3

Proton Neutron

uu

d ud

d

Nukleonen

Isospin T = 1/2 1/2 Tz= 1/2 -1/2

• Quantenzahlen des Isospins (T,Tz) „zählen“ die u- und d-Quarks

• Quantenzahl Strangeness S „zählt“ die s-Quarks

dd

d

z.B.-

3/2-3/2

Hyperonen

us

d ds

d ds

s ss

s

0 - - -

...

0 1 1/2 0 0 -1 -1/2 0


Quarkstruktur - MesonenQuarkstruktur - Mesonen

ud

du

+ -

d du u

+

0

2/0 dduu

us

ds

su

K+ K- K0

Strangeness S = 0 0 0 1 -1 1

Isospin T = 1 1 1 1/2 1/2 1/2Tz= 1* -1 0 1/2 -1/2 -1/2

...

*Anti-Quarks haben Tz mit umgekehrtem Vorzeichen im Vergleich zum jeweiligen Quark


Starke Wechselwirkung erhält Strangeness

• Hyperonen können nur schwach zerfallen relativ lange Lebensdauern• Hyperonen können sich im Kontakt mit Nukleonen im Kern aufhalten

Hyperkerne

Eigenschaften vonEigenschaften von - Hyperon und K - Hyperon und K- - KaonenKaonen

...%14.013.21%5.08.35

%17.043.63%5.09.63 Zerfall

1 1: sStrangenes1/2 0:Isospin 1 0: Ladung

m 3.713 cm89.7: ns 0.02412.384 ps2263:r Lebensdaue

MeV/c016.0677.493MeV/c006.0683.1115: Masse

00

22

n

Kp

STQcτ

M - Hyperon K- Kaonen


… … eine neue Dimension in der Kernphysikeine neue Dimension in der Kernphysik


HyperkerneHyperkerne

ZZ AA 1also z.B. besteht aus 2 p, 2 n und 1

besteht aus 2 p, 2 n und 2

He5

He6

Review Article: O. Hashimoto, H. Tamura, Prog. Part. Nucl. Phys. 57, 6564 (2006)

A: Anzahl der Baryonen im Kern


Erster experimenteller Nachweis (1953)Erster experimenteller Nachweis (1953)

p

Erster Hyperkern experimentell nachgewiesenals Spur auf einer Emulsionsplatte, die in 26 kmHöhe kosmischer Strahlung ausgesetzt war

• 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 seltenverwendet, z.B. in OPERA zur Messung der Produkte von Reaktionen der -Neutrinos


Erster experimenteller NachweisErster experimenteller Nachweis

p

)(

...3

7

pHe

LiZp A

Beobachtete Reaktion:


Produktion von HyperkernenProduktion von Hyperkernen

...oder, KppAp

p-Beam mit einigen GeV@ CERN, BNL, KEK, …

%)50()1020( KKee

e-Kollider mit 510 MeV@ LNF

… sekundäre K oder -Strahlen:

)1()()( ZKeZe AA

@ MAMI, JLab, …

Direkte elektromagnetische Produktion

ZKZp AA

.z.B

@ COSY, …

Direkte “hadronische” Produktion

usdduuddsuZZK AA

“Strangeness exchange reaction”

usdsuudddu

ZKZ AA

“Associated production reaction”


Produktion von HyperkernenProduktion von Hyperkernen


N-WechselwirkungN-WechselwirkungBindungsenergien

von-Hyperkernen

- 55 MeVNukleon

- 28 MeV

rV

T = 0 1 1/2

N

N

N

N

N

NT = 1/2 1 1/2

Meson-Austausch-Modell

• ist schwächer gebunden als Nukleonen, z.B.

• kann nicht mit Nukleonen über Austauch eines Isovektormesons wechselwirken Tensorkomponente der starken Wechselwirkung ist in N-WW schwach• Schalenstruktur des (A-1)-Kerns wird von nur wenig verändert

MeV)7(2499.7)(MeV)3(58.5)( 77 LiSLiB n


-Einteilchenzustände-Einteilchenzustände

EFermi

Einteilchenzustand des Valenznukleons ist experimentell gut zugänglich,z.B. Transfer, Knockout, g-Faktoren etc.

Einteilchenzustände für tief gebundene Nukleonen sind aufgrund von RestWW stark fragmentiert (Konfigurationsmischung) und damit praktisch nicht beobachtbar

ZZ AA 1

„Valenzhyperon“ kann alle hypernuklearenEinteilchenzustände im Kern besetzen (keinPauli-Blocking)


Hypernukleare EinteilchenniveausHypernukleare Einteilchenniveaus

Die Vorstellung des Schalenmodells von unabhängigen Teilchen kann somit experimentell auch für tiefgebundene Zustände verifiziert werden!!!!

YKY 8989 ),(

VLS: Spin-Bahn-Kopplung


KEKKEK

ZKZ AA

12 GeV p

1.05 GeV

K

„Hyperball“Ge - Array

1.05 GeV


Hyperball @ KEKHyperball @ KEK

25 cm dickes Target!!!!


-Spektroskopie von -Spektroskopie von 77LiLi

ps7.08.5)( 9.07.02

5

DSAM

LebensdauermessungSimulierteLinienformen


N-PotentialN-Potential

E2

M1

M1M1

MeV54)aus(keV30

MeV4.0 und MeV50

21)(;)(

9

6247

LS

N

VBeS

S.Δ

LiJJJTspsLi

ssrsrsrVTlsrVSlsrVSssrVΔ

rVVTSSVV

NNT

NNNN

N

N

NN

)ˆ)(ˆ(3)()()(

)()(

SN - Abstand der Core-LevelS,T - Dublett-Splitting

... kann nur mit Ge-Detektoren gemessen werden!!!!

Spin-Spin-WW

Spin-Bahn-WW

Tensor-WW}


Interpretation der LebensdauerInterpretation der Lebensdauer

4/1

6

7

6

7

4

)13;2()2125;2(

79

)()(

)2(

LiEBLiEB

LiRLiRS

rEB

82.0fm6.3)2125;2(

fm10)13;2(427

426

SeLiEB

eLiEB

ps7.08.5)( 9.07.02

5

78.0

7

6

S

pnLi

pnLi

Theorie:

wirkt als zusätzlicher “Leim” und schrumpft den 6Li-Core!!!

3.85 fm

2.94 fm


Zerfall von HyperkernenZerfall von Hyperkernen

Zerfall des freien

%5.08.35

%5.09.63

ps)20(1.263)(

0

n

p

Zerfall von Hyperkern( eingebaut in einen Kern

... der Aufenthalt in schweren Kernen ist also meist “lebensverlängernd”!?!

(wie auch beim Neutron, das im Kernsogar “stabil” werden kann)


Zerfall von HyperkernenZerfall von Hyperkernen

EFermi

im Hyperkern kann NICHT wie freies zerfallen!!!!… wieder ein Effekt des Pauli-Prinzips

ZZ AA 1

cpEpp

Qp

ppp MeV6.95 MeV9.4Ruhein Zerfall:Annahme

MeV8.376.1393.9387.1115

Prozess ist NUR innerhalb von Hyperkernen möglich… hängt im Prinzip also von der Kernstruktur ab!

)Zerfall(MeV280Fermi ppcpX

Fermin pcpnppp

ppp

pNNnN

/MeV415)~(

)~(

)(.z.BMeV176

Nicht-mesonischer Zerfall:

Λ N

NN

π,K,η,ρ,ω,K*virtuelles


Résumé


• etwa 2500 Isotope bekannt • davon knapp 300 stabil• mindestens weitere 3500 theoretisch vorhergesagt

Abbruchkantefür Protonen

(proton dripline)… bekannt bis etwa Z=50

Schwerste Elemente… bekannt bis Z=118

Abbruchkantefür Neutronen

(neutron dripline)… nur bekannt bis Z=8

Weltkarte der Kerne


"Dass ich erkenne, was die Welt im Innersten zusammenhält." Faust I

Warum Kerne studieren?


Fragestellungen der Kernphysik

Evolution magischer Zahlen?

• 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

Nukleosynthese?


Quarks&

Gluonen

QCD”starke WW”

Protonen&

Neutronen?

Schwere Kerne

Kollektivmodelle

Effektive NN-WechselwirkungSchalenmodell

effektive, “freie”Nukleon-NukleonWechselwirkung

“Kernkraft”

Ab-initio Modelle

leichte Kerne(A12)

?

Hierarchie der starken Wechselwirkung (I)


Hierarchie der starken Wechselwirkung (II)

... sehr unterschiedliche Größen- und Energieskalen

... und doch hat alles die gleiche Natur

Qua

rks

Nuk

leon

enK

erne

Fernziel:Einheitliche Beschreibung aller Phänomene der starken Wechselwirkung


Magisch oder nicht magisch …???

Experimentelle Kernspektroskopie = Indizien sammeln


E(2+)B(E2; 0

+ 2+ )

2(E0; 0 + 0 +)g(2 +)

(2+)

K

B(E2; 2 +0 +)

BGT(g9/2 g7/2)

I

C2 S

2

E

(E2/M1)

< I f || E

2 || I i >

ℓ Q2(2+ )

Sn

S2n

BE(Z,A)

m(Z,A)

San Vitale (Ravenna)

Kernspektroskopie – viele Mosaiksteinchen ergeben das Gesamtbild


Es gibt noch viel zu entdecken …

Terra incognita

… neue Anlage

• höhere Intensitäten• exotischere Kerne… aber auch• neue Methoden• neue Instrumente

… und das Unerwartete!!!!

... und wie geht’s weiter?


Facility for Antiproton and Ion Research

FAIR ... neue Möglichkeiten in Darmstadt

... und anderswo!

Viele neue oder ausgebauteAnlagen weltweit.Kernphysik ist derzeit ein sehr aktives Forschungsfeld!


100Sn: 1/s

132Sn: 108/s

54Ca: 106/s

78Ni: 1/s

Erwartete Strahlintensitäten


Gute Experimente brauchen gute Detektoren

... und hier sind dann dieExperimentalphysiker gefragt mit den neuen Möglichkeiten auch etwas anzufangen!!

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