Moderne Experimente
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Moderne Experimente der Kernphysik. Wintersemester 2011/12 Vorlesung 22 – 08.02.2012. Hyperkerne. Quarkstruktur von Hadronen Hyperonen und Kaonen Hyperkerne Produktion von Hyperkernen Hypernukleare Einteilchenniveaus g -Spektroskopie von Hyperkernen L N-Wechselwirkung

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Moderne Experimente der Kernphysik

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Presentation Transcript


Moderne experimente der kernphysik

Moderne Experimente

der Kernphysik

Wintersemester 2011/12Vorlesung 22 – 08.02.2012

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


Hyperkerne

Hyperkerne

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


Moderne experimente der kernphysik

  • 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


Quark struktur baryonen

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


Quarkstruktur mesonen

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


Eigenschaften von l hyperon und k kaonen

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

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Eine neue dimension in der kernphysik

… eine neue Dimension in der Kernphysik

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


L hyperkerne

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


Erster experimenteller nachweis 1953

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


Erster experimenteller nachweis

Erster experimenteller Nachweis

p

Beobachtete Reaktion:

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


Produktion von hyperkernen

“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:

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Produktion von hyperkernen1

Produktion von Hyperkernen

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


L n wechselwirkung

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

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L einteilchenzust nde

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

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


Hypernukleare einteilchenniveaus

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


Moderne experimente der kernphysik

K+

„Hyperball“

Ge - Array

1.05 GeV p+

KEK

1.05 GeV p+

12 GeV p

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Hyperball @ kek

25 cm dickes Target!!!!

Hyperball @ KEK

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G spektroskopie von 7 l li

DSAM

Lebensdauermessung

Simulierte

Linienformen

g-Spektroskopie von 7LLi

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


L n potential

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

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Interpretation der lebensdauer

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


Zerfall von hyperkernen

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


Zerfall von hyperkernen1

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

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l

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l

L im Hyperkern kann NICHT wie freies L zerfallen!!!!

… wieder ein Effekt des Pauli-Prinzips

l

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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


Moderne experimente der kernphysik

Résumé

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


Moderne experimente der kernphysik

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


Moderne experimente der kernphysik

"Dass ich erkenne, was die Welt

im Innersten zusammenhält."

Faust I

Warum Kerne studieren?

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


Moderne experimente der kernphysik

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


Moderne experimente der kernphysik

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


Moderne experimente der kernphysik

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


Moderne experimente der kernphysik

Experimentelle Kernspektroskopie = Indizien sammeln

Magisch oder

nicht magisch …???

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


Moderne experimente der kernphysik

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


Moderne experimente der kernphysik

  • 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


Moderne experimente der kernphysik

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


Moderne experimente der kernphysik

100Sn: 1/s

132Sn: 108/s

78Ni: 1/s

54Ca: 106/s

Erwartete Strahlintensitäten

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


Moderne experimente der kernphysik

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


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