Experimente mit reellen Photonen Vortrag von Daniel Pätzold Noch modifizieren!

Übersicht Motivation N→Δ – Übergang Experiment Ergebnisse Nukleon Anregungsspektren N→Δ – Übergang Photoproduktion neutraler Pionen Experiment Technische Anforderungen Photonerzeugung Detektoren Ergebnisse !!! Diese Einteilung ist irgendwie unangebracht. Noch einmal überdenken! wo endet die Motivation? Theorie ist eine blöde Bezeichnung! 2

Einige Phänomene der Nukleonen Anomales magnetisches Moment Ausdehnung (Ladungsradius) „Formfaktoren der Nukleonen“ Anregungsspektren Polarisierbarkeit Quarkstruktur „Quarks im Nukleon“ An den Nukleonen beobachtete „Phänomene“: Erwartete magnetische Momente; mittlerer Ladungsradius siehe S. 3 (Dissertation); Povh Quarks: Nukleonen als System aus drei Konstituentenquarks; einer Mesonenwolke und den Gluonen (welche die starke WW vermitteln) !!! Ein Satz zu jedem; und sonst einfach Bescheid wissen Hier sollen die Anregungsspektren näher behandelt werden. →Anregungsspektren durch Expermente mit e.m. Sonden → 3

Experimente mit e.-m. Sonden Spektroskopie Untersuchung der Zerfallprozesse angeregter Zustände Anregung über Reelle Photonen: q²=0 Virtuelle Photonen: q²≠0 (→m ≠0) !!! Die gleichungen zu q² hinzufügen! wenigstens kennen !!! (Bild mit q²-W,E-Diagramm?) Prinzipielle Gruppen von Experimenten Streuung Anregung (hier unter Verwendung em Sonden; wieso?) reelle Photonen → v so mit q korreliert, dass q²=0 wird virtuelle Photonen (Virtuelle Photonen sind die vermittelnden Teilchen bei einer Anregung über geladene Teilchen) (Siehe dazu noch handschriftliches) Thema dieses Vortrages wird die Anregung mit reellen Photonen sein Vergleich der Nukleonspektren mit Anregungsspektren für Atome und Kerne Nukleon; Erinnerung folgen dann Spektren → 4

Atomspektren Anregungsenergien im Bereich von einigen eV Wohl separierte Zustände wohl separiert d.h. [nat. linienbreite] << [Abstand zw den Zuständen] Kernspektren folgen → 5

Kernspektren Anregungsenergien von keV bis MeV Ebenfalls separierte Zustände e 12C -> e' p X 5 MeV !!! Bild ersetzen oder variieren; auf jeden Fall ein “richtiges” Enregiespektrum einfügen wohl separiert d.h. [nat. linienbreite] << [Abstand zw den Zuständen] Nukleonen Spektren folgen → nat. linienbreite << Abstand 6

Nukleonspektren Anregungsenergien im Bereich von MeV-GeV Größere Zustandsbreiten → höhere Zustände überlappen (→ außerdem kurzlebiger) Δ(1232)-Resonanz (relativ separat) Für ausgewählte Zustände ist der Spin angegeben worden Überlappung hier nicht direkt ersichtlich! (Wegen der großen Zustandsbreiten Γ sind die Nukleonenzustände wesentlich kurzlebiger als die Atom- bzw. Kernzustände: τ~1/Γ) Delta-Resonanz als erster angeregter Zustand des Nukleons (Spin und Isospin 3/2; gerade Parität) Energie = 1232 MeV → Δ(1232) Angeregte Zustände werden Resonanzen genannt, weil sie durch Überhöhungen im Wirkungsquerschnitt “entdeckt” wurden; (Dort ist auch die Überlappung sichtbar) → 7

Wirkungsquerschnitt Überhöhungen im totalen Photo- absorptionsquerschnitt Relativ separates Resonanz- gebiet bei 340 MeV →Δ(1232) Überlappungen (im Gegensatz zu Atom- bzw. Kernspektren) !!! Seitennummer fehlt Photoabsorptionsquerschnitt = Wirkungsquerschnitt für die Photonenabsorption des Nukleons Im Gegensatz zu den Atomspektren und Kernspektren: Angeregte Nukleonzustände relativ breit → Überlappung bei höheren Energien Durch Überlagerungen mehrerer Nukleonresonanzen (mit hohen Anregungsenergien) entstehen das zweite (bei etwa 700 MeV) und dritte (bei etwa 1000 MeV) Resonanzgebiet. → Untersuchung höherer Zustände kompliziert Die Δ(1232)-Resonanz ist relativ separat und somit leichter zu untersuchen. → wird als Bsp. für Nukleonresonanzen genauer betrachtet →

N→Δ – Übergang E.-m. Multipolanregung: Magnetische Dipolanregung (M1) einfacher Spinflip-Übergang Elektrische Quadupolanregung (E2) !!! Bild noch verienfachen? (Dh kein L=0 und (1s)³)? “Einfaches” Modell für die Erklärung der Anregung einer Delta-Resonanz (Spin 3/2) aus dem Nukleongrundzustand (Spin ½): → einfacher Spinflip-Übergang: ½→3/2 L(=Bahndrehimpuls der Ortswellenfkt der Konstituenten) bleibt dabei unverändert bei L=0 → M1-übergang läuft über die S-Zustände des Nukleons und der Delta- Resonanz ab Zur experimentellen Untersuchung der Delta-Resonanz und ihrer Eigenschaften werden die möglichen Zerfallsprodukte benötigt → 9

Zerfallskanäle der Δ-Resonanz Totaler Photoabsorptions- querschnitt mit Aufspaltung in die verschiedenen Zerfallskanäle Im Gegensatz zu den Atomspektren und Kernspektren: relativ große Breiten der angeregten Zustände -> Überlagerung der Zustände höherer Anregungsenergien -> Untersuchung daher kompliziert Ausnahmefall stellt die Delta-Resonanz dar ( Anregungsenergie (340 MeV) und Breite (120 MeV) ) Untersuche im folgenden nur die Photoproduktion neutraler Pionen: effketiverer (physkalischer) Kanal zur Untersuchung der Delta- Resonanz darstellt (siehe auch Diss Kapitel 3.2) -> 10

Untersuchung der Δ-Resonanz J=? (Spin) P=? (Parität) Kopplungen !!! Titel ändern !!! Isospin? J^P = Spin-Parität (Notaion) Lpi und Lschlange sind relative Bahndrehimpulse des jeweiligen Pions zum Proton Kopplungsfaktoren (schwarze Punkte) → erlauben Aussage über das Zustandekommen des gammaProton-Eingangs- bzw. Pion-Proton-Ausganskanals, dh wie wahrscheinlich ist die Anregung des Delta (über M1 bzw E2) und sein Zerfall in ein Pion und Proton Verwende die Erhaltungssätze zur Bestimmung der gesuchten Eigenschaften aus den Informationen der Ausgangskanäle. (Dabei sei im folgenden vorausgesetzt, dass die Messungen das Pion nachgewiesen haben. Die Bestimmung seiner invarianten Masse kommt später) → 11

Erhaltungssätze Energie (→ Rekonstruktion des Pions) Ladung Parität Bahndrehimpuls und Spin (Baryonen - und Leptonenzahl) (Isospin) !!! Alle Erhaltungssätze notwendig? J: =Gesamtdrehimpuls = Bahndrehimupls + Spin Anwendung im Beispiel → 12

Beispiel (JP(Delta)= 3/2+) Teilchen Spin Parität JP p ½ + ½+ 0 - 0-  1 1- Gesamtdrehimpuls → lpi = {1 oder 2} Parität → nur Lpi = 1 möglich → mögliche Multipolanregungen: M1 → 5 – 3 cos² θ E2 → 1 + cos² θ ½+ 1- 0- l l =1 3/2+ !!! Lgamma lässt sich auch berechnen → liefert L=1 oder 2 (im Einklang mit den Multipolanregungen) !!! Rechnung durch klicken animieren: zb zuerst lpi=? → lpi=1 !!! Isospin? !!! Anderer Titel! Annahme: ( J^P(delta)=3/2+ (könnte genauso 15/2+ sein ) → positive Parität; Gesamtdrehimpuls muss 3/2 bleiben Ausgangskanal: (Die Erhaltung des Gesamtdrehimulses J(J im Ausgang soll gleich dem J im Eingang sein) fordert |Sgamma + l ±1/2 | = J = | lpi ± 1/2|) → J = 3/2 = lpi ± ½ I → lpi = {1 oder 2} Parität im Ausgangskanal ( P=P(pi)P(p)*(-1)lpi ) → lpi=1 möglich (P= +1); Lpi=2 verletzt Paritätserhlatung (P= -1) lpi = 1 → erwartete Winkelverteilung sollte nicht sein Wegen Paritätserhaltung zw Ein- und Ausgangskanal gilt: EL: (-1)^L = P = (-1)^(lpi+1) → I L-lpi I = 1 → L=2 ML: (-1)^(L+1) = P = (-1)^(lpi+1) → L = lpi → L=1 die für M1 und E2 erwarteten Winkelverteilungen sollen durch das Experiment überprüft werden → Kopplungskonstanten Um die obigen Eigenschaften berechnen zu können müssen natürlich die Informationen aus den Ausangskanälen experimentell betimmt werden. Dh das Pion muss überhaupt ersteinmal nachgewiesen werden. Betrachte dazu das Pion näher → 13

Neutrales Pion ( p → 0 p) Masse: 134,97 MeV/c² Lebensdauer: 86*10-9 ns Zerfall: 0 →  (98,8%) !!! Das Bild ist nicht wichtig; Vielleicht in der Zusammenfassung verwenden! Gut für die Breite der Zustände Das Pion zerfällt also in zwei Photonen. Und seine Masse ist … -> Zwei Möglichkeiten für seinen Nachweis -> 14

Rekonstruktion (1) Invariante Masse Nachweis der Photonen: 0 →  15 !!! Rechnungen überarbeiten! Diplomarbeit !!! (Nochmal rückschließen ob die fehlende die des Protons ist?) Nächste Folie zeigt die zweite Möglichkeit der Pionenrekonstruktion -> 15

Rekonstruktion (2) Missing mass mx=m0 Nachweis des Protons: p → x p !!! Herleitung ergänzen! (siehe Diplomarbeit Anhang B) Später wird nur noch Invariante Masse betrachtet dh Nachweis über Messung des Photonenpaar Diese Rekonstruktionsmöglichkeiten stellen gewisse technische Anfordungen an das Experiment ->

Anforderungen an das Experiment( p → 0 p) Photonenstrahl: bekannte Energien (quasi monochromatisch) → Energiebereich des gesamten Resonanzgebietes Polarisiert Detektor: große Raumwinkelabdeckung (Winkelverteilungen! ) Energie- und Winkelauflösung (inv. Masse!) Zeitauflösung (unkorrelierte Ereignisse unterdrücken!) Photonen: Resonanzgebiet vollständig abdecken Detektor: komplette Raumwinkelabdeckung um eine vollständige Winkelverteilung für das Pion/Proton zu erhalten Zeitauflösung: unkorrelierte Ereignisse, dh unmarkierte Photonen sollen ausgesondert, um die Messung nicht zu stören Üblich Arten der Erzeugung von gamma-Strahlung -> 17

Erzeugung des Photonenstrahls Bremsstrahlung Comptonstreuung Bremstrahlung: Emission e.-m. Strahlung während der Beschleunigung im Coulombfeld der Radiator-Kerne durch gestreute Elektronen: 1/Egamma-Verteilung Radiator meist dünne Metallfolie (zB Ni) oder Diamant Compton backscattering: Laser-Photonen werden an beschleunigten Elektronen gestreut Vorteil: Übertragung der Polarisation von Laser- auf Compton- Photonen Nachteil: Strahlintensitäten sind begrenzt, da zu hohe Laser Intensitäten die Lebensdauer des Elektronenvorrats verringern Markierung (tagging) der Photonen -> auf später verweisen Markierung in beiden Fällen ->

Energie-Markierungsanlage (Tagger) Markierung (tagging) der Photonen -> gestreute Elektronen werden nach Impulsen sortiert (Magnetfeld) und in der Fokalebene detektiert Elektronenleiter = Bez für den Elektronendetektor Photoproduktionsdetektoren operieren in Koinzidenz mit den Elektronendetektoren -> Energien der reellen Photonen bekannt (Energiebilanz) Prozeß der Bremsstrahlung im MAMI ->

Bremsstrahlung Energiebilanz: Bremsstrahlung- spektrum: kontinuierlich dσ/dE rund 1/ E Rückstoßenergie des Kerns vernachlässigar (Kern übernimmt fast nur Impuls des Elektrons), da M(kern)>>M(e) -> Energiebilanz ->für Markierung notwendig Bremsstrahlspektrum kontinuierlich zw Null und E0 (Elektroneneinschussenergie) gemessene Intensität gegen Photonenenergie aufgetragen Bild exemplarisch für E0=855 MeV kleine Energien haben die größten Intensitäten grauer Bereich: Energiebereich in dem die Photonen markiert wurden ,dh Energien hier bekannt (wie gefordert) weiße Bereiche (unter der Kurve): unkorrelierte Ereignisse -> Untergrund (Charakteristischer Winkel: teta_c=m/E0 50% der Strahlung werden in Vorwärtsricht. Innerhalb dieses Winkels emittiert) Detektion des gammaPaares ->

Two Arms Photon Spectrometer (TAPS) Flüssiges Wasserstofftarget 504 BaF2 – Detektoren !!! schlau machen und modifizieren !!! Bild einfügen ???Wasserstofftarget BaF2-Modul ->

BaF2 – Detektor Funktion: Einfliegende Teilchen verursachen in den Szintillatoren unterschiedliche Anregungen, welche über Lichtaussendung (sichtbarer Bereich) zerfallen. Das Licht wird in einem Photomultiplier anschließend in ein elektrisches Signal umgewandelt Eigenschaften der Szintillatoren->

Szintillatoren Organische z.B. Plastikszintillatoren Organische Moleküle Fluoreszenzanregung der Moleküle Kurze Abklingzeiten Einsatz: Elektronennachweis Anorganische z.B. BaF2, NaI Kristalle mit Aktivator- zentren dotiert Elektronen-Loch-Paare Abklingzeiten: einige 100 ns Einsatz: Gamma - Detektoren 2 Sorten ???Speziell noch Eigenschaften von BaF2 !!! Funktionsweise genauer kennen! Ergebnisse der Messungen sind die benötigeten Winkelverteilungen und invarianten Massenspektren ->

Invariante Massenspektrum Von TAPS ???Eta aus zerfallskanal einer anderen Resonanz; (vielleicht weglassen) Vergrößerung beachten (x20) !!! ??? Counts/ 3MeV Genauer; Zur Erinnerung: m(pion)= 134,97 MeV/c² ;Massen Skala in 40er-Schritten

Winkelverteilungen → M1 dominiert ( 5 – 3 cos² θ ) ???Differentielle Wirkungsquerschnitte gegen den Polarwinkel für verschieden Photonenenergien -> deckt das Delta-Resonanzgebiet ab (um 340 MeV) ???keine konstanten Verteilungen -> spricht für relative Bahndrehimpulse von l=1 -> M1 !!! Genauer ausführen! → M1 dominiert ( 5 – 3 cos² θ )

Crystal Ball Neue Detektor-Genetation: Höhere Energien möglich -> Untersuchung höherer Zustände Raumwinkel besser abgedeckt Schon invariante Massenspektren aufgenommen ->

Invariantes Massenspektrum Schon einige invariante Massenspektren gemessen Erster Peak: Pion von Crystal Ball

Zusammenfassung Q2 = 0 Atom-, Kern-, Nukleonspektrum N→Δ – Übergang, M1  p →Delta → 0 p Invariante Masse Bremsstrahlung tagging TAPS Crystalball