Experimente mit reellen Photonen Fachbereich Physik Seminar Kernphysik – Sommersemester 2004 Experimente mit reellen Photonen Johannes Gutenberg-Universität Mainz, 14. Juni 2004 Sebastian Will

Inhaltsübersicht Kurze Einführung Erinnerung an grundlegende Konzepte Zwei Prozesse zur Herstellung hochenergetischer Photonen Verwendung der energiemarkierten Photonen im Experiment: Messung der Polarisierbarkeit des Protons (MAMI)

Einführung reelle Photonen sind ganz „normale“ Photonen Nukleonen haben innere Struktur Photonen sind nützliche Sonden, um die innere Struktur von Kernen zu untersuchen: für E ~ 100 MeV ist Wellenlänge ~ 10 fm Wechselwirkung mit Kernmaterie ist relativ schwach Compton-Streuung von Photonen an Nukleonen z.B. zur Bestimmung der elektrischen und magnetischen Polarisierbarkeit des Protons

Zentrale experimentelle Herausforderung Wie kann man hochenergetische Photonen herstellen? Lösung: Bremsstrahlung oder LASER-Rückstreuung Man benötigt Information über Energie der Photonen vor der Streuung! Wie kann man die Energie der Photonen bestimmen, ohne sie zu zerstören? Lösung: Indirekte Bestimmung durch sog. Photonenmarkierung (engl.: tagging)

Erinnerung an grundlegende Konzepte Energie- und Impulserhaltung (ES und IS) Wirkungsquerschnitt – wichtigste Größe bei Streuprozessen: Geometrische Deutung: Reaktionsrate: j = Teilchenstrom der einf. Teilchen/Fläche n = Anzahl der Targetteilchen s = Fläche der Targetteilchen Einheit: 1 barn= 1b = 10-24 cm2 verdeckte Fläche!

Bremsstrahlung freies Elektron kann kein Photon emittieren (Verstoß gegen ES und IS) Aber: Im Feld eines schweren Kerns ist Emission eines Photons möglich Impulssatz: Energiesatz: vernachlässigbar klein: ~ keV

Energiespektrum der Bremsstrahlung Energieverteilung folgt grob der Beziehung: sehr viele niederenergetische und sehr wenige hochenergetische Photonen!

Winkelverteilung der Bremsstrahlung (1) Wichtigster Winkel: charakteristischer Winkel Bsp.: Für relativistische Elektronen und kleine Winkel gilt näherungsweise: unabhängig von k ! Anteil der Photonen, die in einen Öffnungswinkel abgestrahlt werden: Näherung! In Winkel wird die Hälfte der Photonen abgestrahlt! wachsendes E0: Öffnungswinkel wird kleiner! In jedem Winkelbereich komplettes Energiespektrum zu sehen!

Winkelverteilung der Bremsstrahlung (2) Näherung:

Tagging mit Bremsstrahlung – praktische Umsetzung Magnet Elektronen auf Radiator: Bremsstrahlung Ablenkung der Stoßelektronen und Impuls-/Energieanalyse Falls zeitliche Koinzidenz zwischen Experimentdetektor und Leitersignal: Photonenenergie bekannt!

Compton-Effekt – Laser-Rückstreuung Elastische Streuung von Photonen an Elektronen Für ruhende Elektronen: Bei Laser-Rückstreuung: relativistische Elektronen! Formel „einfach“ Lorentz-transformieren:

Energie der Photonen Höchste Energie für In feste Winkelbereiche wird eine definierte Energie abgestrahlt! Maximalenergie der Photonen wesentlich kleiner als Elektronenenergie: Bsp.: Eph= 2.4eV und Ebeam= 6.0 GeV k ~ 1000MeV Photonenstrahl stark polarisiert:

Winkel- & Energieverteilung bei Laser-Rückstreuung Winkelverteilung Energieverteilung Energien der Compton-Photonen quasi gleichverteilt!

Tagging mit Compton-Photonen resonante optischer Kavität: Steigerung des Photonenflusses!

- + Gegenüberstellung Bremsstrahlung konstruktiv leicht zu realisieren nur ~ 1GeV Elektronenstrahl notwendig hoher Photonenfluss hoher Anteil niederenergetischer Photonen schwieriger Polarisation hervorzurufen Laser-Rückstreuung Gleichverteilung der Photonen-Energien hoch polarisierter Photonenstrahl konstruktive Komplikationen niedriger Photonenfluss hohe Elektronenenergie + -

Anwendung: Messung der Polarisierbarkeiten des Protons Fragen: Was bedeutet „Polarisierbarkeiten des Protons“? Was muss eigentlich gemessen werden? Wie wird gemessen? Wozu braucht man einen Tagger?

Polarisierbarkeit - klassisch Dielektrisches Objekt in E-Feld Ladungen ordnen sich Polarisation! Für ein Atom in E-Feld gilt: Dipolmoment elektrische Polarisierbarkeit Für ein Atom in B-Feld gilt: magnet. Moment magnetische Suszeptibilität

Einfaches Modell der elektronischen Polarisierbarkeit Elektronen mit Federn an Kern gebunden: Federkonstante k resultierende „Polarisierbarkeit“: k groß: starres Objekt - kleine Polarisierbarkeit k klein: elastisches Objekt - große Polarisierbarkeit

Polarisierbarkeiten des Protons Durch Streuprozesse stellte man fest: Proton hat innere Struktur – positive und negative Ladungen! Definition von elektrischer Polarisierbarkeit und magnetischer Suszeptibilität bei Proton analog zu klassischer E‘dynamik! Beispiele: System Polarisierbarkeit a (fm3) H-Atom ~ 1015 Deuteron ~ 1.5 Proton ~ 10-3 Neutron ~ 10-4 ? Polarisierbarkeiten ( a und b ) sind fundamentale Struktureigenschaften!

Bestimmung der Polarisierbarkeiten: Compton-Streuung Streuung von Photonen an Protonen Messung des differentiellen Wirkungsquerschnitts der Compton-Streuung! Die QFT liefert (Entwicklung für kleine Energien): abhängig von: Ladung Masse magn. Moment Energien von ein- und aus-laufendem Photon Vorwärtsrichtung Rückwärtsrichtung

TAPS-Tagger-Aufbau Target: flüssiger Wasserstoff Markierungseffizienz:

Der TAPS-Detektor Nachweis der Photonen Photonen aus Tagger Nachweis der Photonen Winkel-, Energie- und Zeitmessung! 384 BaF2-Kristalle Vor Kristall: Veto-Detektor für geladene Teilchen

Bestimmung des Wirkungsquerschnitts Anzahl der Compton-Photonen nach einer gewissen Messdauer: für Markierungseffizienz gilt: mit Targetteilchen pro Fläche

„Tricks“ zur Bestimmung des Wirkungsquerschnitts größte Schwierigkeit: Bestimmung von Koinzidenz-Analyse Photon in TAPS und Elektron in Tagger gleichzeitig? Missing-Energy-Analyse: Energiemessung ist überbestimmt! Aus TAPS: Photonenenergie , Streuwinkel des Photons Compton-Theorie: Aus Tagger: Compton-Ereignisse, wenn

Zeitspektrum und Missing-Energy-Spektrum Compton-Photonen! starker Untergrund durch: Pionenzerfall, Höhenstrahlung, Elektronenpaarproduktion

Ergebnisse der Messung - Wirkungsquerschnitte gemessen! rote Kurven!

Ergebnisse der Messung - Polarisierbarkeiten gemessen!

FRAGEN? Zusammenfassung Herstellung von hochenergetischen Photonen Bremsstrahlung Laser-Rückstreuung zerstörungsfreie Energiebestimmung der Photonen Polarisierbarkeit des Protons Experimentelle Umsetzung der Messung der Polarisierbarkeit des Protons FRAGEN?

Wirkungsquerschnitt als effektive Fläche meistens kein massiv verdeckendes Targetteilchen, sondern WW-Potential Allgemein: zum Beispiel: Beachte immer: Auch ist Maß für die Reaktionswahrscheinlichkeit und

Tagging mit Compton-Photonen (1) Internes Tagging Externes Tagging

Eigenschaften von Laser-Rückstreuung In feste Winkelbereiche wird eine definierte Energie abgestrahlt! sehr hohe Elektronenenergien für hohe Photonenenergien notwendig! Polarisierter Photonenstrahl

System - durch äußeren Einfluss polarisiert!

Tagging mit Bremsstrahlung Kollimation auf Nicht alle Photonen werden getaggt! 352 Plastik-Szintillatoren Wie viele Photonen treffen das Experimentiertarget? Markierungseffizienz:

Experiment zur Messung von a und b getaggter Photonenstrahl auf Wasserstoff-Target Bestimmung der Photonen-energie im TAPS-Detektor

Formel für Wirkungsquerschnitt µ d ¾ ­ ¶ L E T = P o i n t ¡ e 2 M ! ~ c ½ ® + ¯ ( 1 s # )