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Urknall oder Neutronenstern ? Experimente mit exotischer Kernmaterie an FAIR 1. Bausteine der (Kern)-Materie: Quarks und Gluonen, die Elementarteilchen.

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Präsentation zum Thema: "Urknall oder Neutronenstern ? Experimente mit exotischer Kernmaterie an FAIR 1. Bausteine der (Kern)-Materie: Quarks und Gluonen, die Elementarteilchen."—  Präsentation transkript:

1 Urknall oder Neutronenstern ? Experimente mit exotischer Kernmaterie an FAIR 1. Bausteine der (Kern)-Materie: Quarks und Gluonen, die Elementarteilchen der Starken Kraft 2. Rätsel der Starken Kraft: Die Gefangenschaft der Quarks Der Ursprung der Masse 3. Exotische Kernmaterie im Kosmos 4. Experimente mit heißer und dichter Kernmaterie im Labor Erzeugung exotischer Materie: Erhitzen oder Verdichten? Diagnostische Sonden: Wie untersucht man einen Zustand, der nur s andauert? Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment an FAIR Peter Senger, GSI, Wissenschaft für Alle,

2 SIS 100 Tm SIS 300 Tm U: 35 AGeV p: 90 GeV Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) Wichtig für CBM

3 Atom: m Atomkern: m Nukleon: m Quark: < m

4 up down strange charm bottom top Die Quarks Quarks sind punktförmig ! Größe der Kugel verdeutlicht Massen Quarkupdownstrangecharmbottomtop Masse (MeV/c 2 ) Ladung e2/3-1/3 2/3-1/32/3

5 anti- up anti- down anti- strange anti-charm anti-bottom anti-top Die Anti-Quarks Gleiche Masse wie Quarks, entgegengesetzte Ladung. Trifft ein Quark auf ein gleichartiges Antiquark, zerstrahlt das Paar in Energie.

6 Der Aufbau der Baryonen (3 Quarks) ud u Proton (p) 938 MeV/c 2 ud d Neutron (n) 939 MeV/c 2 + ··· ud s Lambda (Λ 0 ) 1115 MeV/c 2 uu u Delta ++ (Δ++) 1232 MeV/c 2 + ··· uu s Sigma+ (Σ+) 1189 MeV/c 2 dd s Sigma- (Σ-) 1197 MeV/c 2

7 u s s Xi 0 (Ξ 0 ) 1315 MeV/c 2 d s s Xi- (Ξ - ) 1321 MeV/c 2 + ··· s s s Omega- (Ω - ) 1672 MeV/c 2 + ··· c d u Lambda c (Λ c ) 2285 MeV/c 2 Der Aufbau der Baryonen (3 Quarks)

8 Anti-Baryonen (3 Anti-Quarks) Antiproton 938 MeV/c 2 u d u u d d Antineutron 939 MeV/c 2 + ··· Es gibt keine Baryonen mit Quarks und Antiquarks aber es gibt Mesonen: Quark-Antiquark Paare

9 u d d u Leichte Mesonen (Quark-Antiquark Paare) Pionen: π- 140 MeV/c 2 u u π+ 140 MeV/c 2 π MeV/c 2 u s s u Kaonen: K MeV/c 2 K MeV/c 2 s d K MeV/c 2 + ···

10 s s Schwere Mesonen (Quark-Antiquark Paare) J/ψ 3097 MeV/c 2 c c φ 1020 MeV/c 2 + ··· c u D MeV/c 2 c d c d D MeV/c 2 D MeV/c 2

11 Die Erzeugung von Mesonen udsuds n p uddudd susu K+K+ dduddu n uduudu uduudu uduudu n p uddudd susu K+K+ susu p K dduddu n uduudu n p uddudd uuuu dduddu n uduudu p uddudd p p uduudu dudu uduudu p uduudu n Aus Energie entsteht Materie und Antimaterie !

12 Was hält die Quarks in Hadronen (Baryonen und Mesonen) zusammen? Gluonen: Vermittler der starken attraktiven Kraft zwischen Quarks/Antiquarks

13 Physik Nobelpreis 2004 für die Pioniere der Theorie der Starken Kraft: "Quanten-Chromo-Dynamik" David Politzer David Gross, Frank Wilczek Gluonen wirken wie Gummibänder zwischen den Quarks, d.h : bei kleinen Abständen bewegen sich die Quarks frei, bei großen Abständen wird die attraktive Kraft unendlich groß. Quarks und Gluonen haben eine Eigenschaft genannt "Farbe", beobachtbar sind aber nur farblose Teilchen, die aus Quarks und Gluonen zusammengesetzt sind.

14 Die Kraft zwischen den Nukleonen ("Kernkraft") Anziehung der Nukleonen wird vermittelt durch "Rand-Effekte" der Starken Kräfte im Nukleon

15 Rätsel der Starken Kraft: "Confinement (Einschluss)" Die experimentelle Befreiung der Quarks: Erzeugung eines Plasmas aus Quarks und Gluonen

16 Proton : u, u, d Quark u Quark Masse 5 MeV/c 2 d Quark Masse 10 MeV/c 2 Summe (u+u+d) 20 MeV/c 2 Protonenmasse = 938 MeV/c % der bekannten Masse des Universums besteht aus Baryonen Rätsel der Starken Kraft: der Ursprung der Masse Beiträge zur Masse eines Hadrons: 1. Gluonen 2. Bewegungsenergie der Quarks und Gluonen (E = mc 2 ) 3. Wechselwirkung der Quarks mit dem Vakuum, das aus virtuellen Quark-Antiquark Paaren besteht

17 Idee: die Masse der Quarks verschwindet wieder, wenn man das Vakuum verdrängt, indem man die Quarks (bzw. die Hadronen) in dichte Kernmaterie einbringt. Experimente mit: Pionen, Kaonen, Rho-Mesonen, zukünftig: D-mesonen

18 Erzeugung exotischer Kernmaterie im Labor: Erhitzen oder Verdichten ? Baryonen Hadronen Partonen Kompression + Erhitzen = Quark-Gluon Plasma (Pionen-Erzeugung) Neutronensterne Frühes Universum

19 Erforschung der Eigenschaften heißer und dichter Kernmaterie CERN-SPS, RHIC, LHC: hohe Temperatur, niedrige Baryonendichte FAIR SIS300: Moderate Temperatur, hohe Baryonendichte

20 time temperature 15 billion years 1 billion years years 3 minutes 1 thousandth of a second 3 K 20 K K 10 9 K K distance Die Evolution des Universums Die Ursuppe der ersten Millisekunde: Quarks, Antiquarks, Elektronen, Positronen Gluonen, Photonen Wo sind die Antiteilchen geblieben?

21 Geburt und Tod der Sterne M 8M Roter Riese Weißer Zwerg 8M M 15M Supernova II 1.4M M core 2M Neutronenstern M 15M Supernova IIa M 2M Schwarzes Loch Zwiebelschalen- struktur vor der Explosion

22 Supernova 1987 i n der Großen Magellanschen Wolke

23 Der Krebsnebel... Im Jahre 1054 beobachteten chinesische Astronomen einen "Gaststern: Hell wie der Vollmond (1 Monat) … und sein pulsierendes Herz: 1968/69: Entdeckung einer pulsierenden Strahlungsquelle (Gammastrahlung - Radiowellen), Pulsfrequenz f= 30 Hz. glühender Rest einer Supernova: ca Lichtjahre von der Erde entfernt, Durchmesser ca. 10 Lichtjahre, expandiert mit ca Km/s.

24 Pulsare: Junge Neutronensterne Rotierender Strahlungskegel (Leuchtturm-Prinzip) besteht aus Synchrotronstrahlung (Gammastrahlung – Radiowellen) Rotationsfrequenz f = Hz Radius des Sterns ca. 10 km Masse ca. 1.5 Sonnenmassen 3-10 fache Atomkern-Dichte Magnetfeld 5·10 12 Gauss Anzahl: ca entdeckt, ca 100 Mio in unserer Galaxis vermutet

25 Modelle von Neutronensternen Entstehen überwiegend seltsame Teilchen in hochdichter Kernmaterie ? Verändern sich die Eigenschaften von Hadronen in dichter Materie ? Wie inkompressibel ist Kernmaterie? Lösen sich bei hohen Dichten die Hadronen in Quarks und Gluonen auf ?

26 Atomkern Radius R = A 1/3 · 1.2· m. Für A = 200 R 6 fm Volumen V = 4/3 π R 3 = 4/3 π A fm 3 Nukleonendichte 0 = A/V = 3/ (4 π ) fm Nukleonen/fm 3 Masse des Nukleons m = g Massendichte von Kernmaterie 0 m 270 Mio t/cm 3 Neutronenstern Radius R 10 km, Volumen V 4200 km 3 Masse M 1.4 Sonnenmassen = g Mittlere Dichte = M/V 700 Mio t/cm fache Atomkerndichte Dichte im Zentrum 5 – 10 fache Atomkerndichte Die Dichte von Kernmaterie

27 Die Erzeugung hoher Baryonendichten im Labor: hochenergetische Stöße zwischen Atomkernen SIS300

28

29 SIS18 SIS100/ 300 Erzeugung von Mesonen in Kollisionen zwischen Gold-Kernen

30 Diagnostische Sonden

31 p n ++ K e+e+ e-e- p Der Blick in den Feuerball mit durchdringenden Sonden Untersuchung kurzlebiger Mesonen, die noch im Feuerball in ein Elektron-Positron Paar zerfallen. Aus den gemessenen Impulsen der Teilchen läßt sich die Masse des Mesons im Feuerball rekonstruieren.

32 Signaturen des Quark-Gluon Plasmas ? Ideen: Erhöhte Ausbeute an seltsamen Teilchen (d.h. Teilchen, die ein strange Quark enthalten) Zerstörung von Charm-Anticharm Paaren (J/ψ Mesonen) Anzahl und Impuls der D-Mesonen (charm quark und u oder d)

33 Die Trennung von Charm-Anticharm Paaren (J/ψ Mesonen) im Quark-Gluon Plasma

34 Die charmante Herausforderung: Messung von D-Mesonen und J/ψ Mesonen Experimentelle Probleme: Ein D-Meson in Au+Au Stößen Riesiger Untergrund Messung des Sekundärvertex mit einer Genauigkeit von 50 μ m c d Bisher wurden in Schwerionenstößen noch keine D-Mesonen nachgewiesen c c Messung: J/ψ e+e- Ein J/ψ Meson in 1 Mio Stößen

35 Experimentelle Herausforderungen Bis zu 10 Millionen solcher Stöße pro Sekunde Gleichzeitige Messung und Identifizierung von Hadronen und Elektronen Bestimmung der Spuren (vor allem der Vertex) aller Teilchen mit einer Genauigkeit von 50 Mikrometer Im zentralen Stoß zweier Goldkerne bei einer Energie von 25 AGeV entstehen u.a. folgende Teilchen: 160 Protonen 236 Neutronen 300 negativ geladene Pionen 250 positiv geladene Pionen 300 neutrale Pionen 40 positiv geladene Kaonen 40 neutrale Kaonen 15 negativ geladene Kaonen

36 Einzigartige experimentelle Anforderungen an: Zählratenfestigkeit der Detektoren (bis zu 100 kHz/cm 2 ) Strahlungshärte der Detektoren und Elektronik (50 MRad) Vertexauflösung der Tracking Station (30 μm) Zeitauflösung der Stoppwand (80 ps über 140 m 2 ) Rekonstruktion von 700 Trajektorien (Impulsauflösung < 1%) Qualität der Elektronen Identifizierung (Pionenanteil <1/10000) Geschwindigkeit der Datenaufnahme (1 Gbyte/s speichern)

37 Das CBM Experiment Strahlungsharte Silizium Pixel/Streifen Detektoren im Magnetfeld Elektronen-Detektoren: RICH1& TRD & ECAL: Pionen-Unterdrückung bis zu 10 5 Hadronen Identifizierung: RPC, RICH2 Messung von Photonen, neutralen Pionen, etc: elektromagn. Calorimeter (ECAL) Hochgeschwindigkeits Datenaufnahme und Trigger System

38 Die Messung der Teilchenspuren im Magnetfeld mit Silizium Pixel und Streifen Detektoren Design Ziele: sehr dünne Detektoren d < 200 μm Ortsauflösung < 20 μm Hohe Strahlendosis: neq/cm 2 ) schnelle Auslese Silizium Tracking System (4 Mio Kanäle): 3 Ebenen Pixeldetektoren (Pixelgröße 40x40 μm 2 ): im Abstand von 5, 10 und 20 cm hinter Target. Detektorgrößen 5x5 cm 2, 10x10cm 2, 20x20cm 2. 4 Ebenen Streifendetektoren (Streifengröße 25 μm x 2-6 cm): Detektorgröße 40x40cm 2, 60x60 cm 2, 80x80 cm 2, 100x100 cm 2

39 Cherenkov-Effekt: Bewegt sich ein geladenes Teilchen durch ein Medium schneller als Licht, emittiert es Cherenkov-Strahlung: v > c/n (n ist Brechungsindex des Mediums) Emission einer kohärenten Wellenfront: cosθ = 1/(βn) Messung der Teilchengeschwindigkeit über Cherenkov-Licht

40 Bestimmung der Teilchen- Geschwindigkeit durch Messung von θ (Ringradius des Lichtkegels) Ring abbildende Cherenkov-Detektoren (RICH) cosθ = 1/(βn)

41 Übergangsstrahlungsdetektoren Transition Radiation Detectors (TRD) Prinzip: ALICE -TRD: 1000 Teilchen/(s cm 2 ) CBM -TRD: bis zu Teilchen/(s cm 2 ), Gesamtfläche der TRD-Kammern 500 m Kanäle Elektronen erzeugen Übergangsstrahlung, Pionen nicht

42 Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment

43 CBM Kollaboration : 39 Institute aus 14 Ländern Croatia: RBI, Zagreb Cyprus: Nikosia Univ. Czech Republic: Czech Acad. Science, Rez Techn. Univ. Prague France: IReS Strasbourg Germany: Univ. Heidelberg, Phys. Inst. Univ. HD, Kirchhoff Inst. Univ. Frankfurt Univ. Mannheim Univ. Marburg Univ. Münster FZ Rossendorf GSI Darmstadt Russia: CKBM, St. Petersburg IHEP Protvino INR Troitzk ITEP Moscow KRI, St. Petersburg Kurchatov Inst., Moscow LHE, JINR Dubna LPP, JINR Dubna LIT, JINR Dubna Obninsk State Univ. PNPI Gatchina SINP, Moscow State Univ. St. Petersburg Polytec. U. Spain: Santiago de Compostela Univ. Ukraine: Shevshenko Univ., Kiev Univ. of Kharkov Hungaria: KFKI Budapest Eötvös Univ. Budapest Korea: Korea Univ. Seoul Pusan National Univ. Norway: Univ. Bergen Poland: Krakow Univ. Warsaw Univ. Silesia Univ. Katowice Portugal: LIP Coimbra Romania: NIPNE Bucharest

44 CBM F&E Arbeitsgruppen Feasibility studies Simulations D Kπ(π) GSI Darmstadt, Czech Acad. Sci., Rez Techn. Univ. Prague,ω, e + e - Univ. Krakow JINR-LHE Dubna J/ψ e + e - INR Moscow GSI π, K, p ID Heidelberg Univ, Warsaw Univ. Kiev Univ. NIPNE Bucharest INR Moscow Framework GSI Tracking KIP Univ. Heidelberg Univ. Mannheim JINR-LHE Dubna JINR-LIT Dubna Design & construction of detectors Silicon Pixel IReS Strasbourg Frankfurt Univ., GSI Darmstadt, RBI Zagreb, Univ. Krakow Silicon Strip Moscow State Univ CKBM St. Petersburg KRI St. Petersburg Univ. Obninsk RPC-TOF LIP Coimbra, Univ. Santiago Univ. Heidelberg, GSI Darmstadt, Warsaw Univ. NIPNE Bucharest INR Moscow FZ Rossendorf IHEP Protvino ITEP Moscow RBI Zagreb Univ. Marburg Fast TRD JINR-LHE, Dubna GSI Darmstadt, Univ. Münster NIPNE Bucharest Straw tubes JINR-LPP, Dubna FZ Rossendorf FZ Jülich Tech. Univ. Warsaw ECAL ITEP Moscow GSI Darmstadt Univ. Krakow RICH IHEP Protvino GSI Darmstadt KIP Univ. Heidelberg Univ. Mannheim GSI Darmstadt JINR-LIT, Dubna Univ. Bergen KFKI Budapest Silesia Univ. Katowice Univ. Warsaw Magnet JINR-LHE, Dubna GSI Darmstadt FEE, Trigger, DAQ J/ψ μ + μ - PNPi St. Petersburg SPU St. Petersburg Λ, Ξ,Ω PNPi St. Petersburg SPU St. Petersburg Ring finder JINR-LIT, Dubna

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