Experimente mit reellen Photonen Vortrag von Daniel Pätzold
Experimente mit reellen Photonen
Vortrag von Daniel Pätzold
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Übersicht
• Motivation– Nukleon– Anregungsspektren
• N→Δ – Übergang– Photoproduktion neutraler Pionen
• Experiment– Technische Anforderungen– Photonerzeugung– Detektoren
• Ergebnisse
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Einige Phänomene der Nukleonen
• Anomales magnetisches Moment
• Ausdehnung (Ladungsradius)• „Formfaktoren der Nukleonen“
• Anregungsspektren
• Polarisierbarkeit
• Quarkstruktur• „Quarks im Nukleon“
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Experimente mit e.-m. Sonden
• Spektroskopie– Untersuchung der
Zerfallprozesse angeregter Zustände
– Anregung über• Reelle Photonen:
q²=0
• Virtuelle Photonen:
q²≠0 (→m ≠0)
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Atomspektren
• Anregungsenergien im Bereich von einigen eV
• Wohl separierte Zustände
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Kernspektren
• Anregungsenergien von keV bis MeV
• Ebenfalls separierte Zustände
e 12C -> e' p X
5 MeV
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Nukleonspektren• Anregungsenergien im Bereich
von MeV-GeV
• Größere Zustandsbreiten → höhere Zustände überlappen
(→ außerdem kurzlebiger)
• Δ(1232)-Resonanz (relativ separat)
*NN
Wirkungsquerschnitt
• Überhöhungen im
totalen Photo-
absorptionsquerschnitt
• Relativ separates Resonanz-gebiet bei 340 MeV →Δ(1232)
• Überlappungen (im Gegensatz zu Atom- bzw. Kernspektren)
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N→Δ – Übergang
• E.-m. Multipolanregung:– Magnetische Dipolanregung (M1)
• einfacher Spinflip-Übergang
– Elektrische Quadupolanregung (E2)
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Zerfallskanäle der Δ-Resonanz
• Totaler Photoabsorptions-querschnitt mit Aufspaltung in die verschiedenen Zerfallskanäle
pp 0
np
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Untersuchung der Δ-Resonanz
• J=? (Spin)• P=? (Parität)• Kopplungen
pp 0
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Erhaltungssätze
• Energie (→ Rekonstruktion des Pions)
• Ladung
• Parität
• Bahndrehimpuls und Spin
• (Baryonen - und Leptonenzahl)
• (Isospin)
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Beispiel (JP(Delta)= 3/2+)
• Gesamtdrehimpuls → lpi = {1 oder 2}• Parität
→ nur Lpi = 1 möglich→ mögliche Multipolanregungen:
M1 → 5 – 3 cos² θE2 → 1 + cos² θ
½+ ½+
1- 0-
l l =1
3/2+
Teilchen Spin Parität JP
p ½ + ½+
0 0 - 0-
1 - 1-
pp 0
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Neutrales Pion (p → 0 p)
Masse: 134,97 MeV/c²Lebensdauer: 86*10-9 nsZerfall: 0 → (98,8%)
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Rekonstruktion (1)
• Invariante Masse– Nachweis der Photonen: 0 →
)cos(
)cos(
0mfür /cEmit cos
)(
)(:Invariante
i
1c
EE2cm
1c
EE2
ppp2c
EE2
ppc
E
c
Eppss
cmc
cmp
c
Es
pps
22122
0
221
i21221
221
2212
21fi
2202
2202
0
20
i
2BA
Rekonstruktion (2)
• Missing mass mx=m0
– Nachweis des Protons: p → x p
2x
22x
21ixfi
x21fpi
pcm
pppppp
ppppppp
,
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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!)
Erzeugung des Photonenstrahls
• Bremsstrahlung
• Comptonstreuung
Energie-Markierungsanlage (Tagger)
Bremsstrahlung
• Energiebilanz:
• Bremsstrahlung-spektrum:• kontinuierlich
• dσ/dE rund 1/ E
EEEe
'0
KerneKerne '
Two Arms Photon Spectrometer (TAPS)
• Flüssiges Wasserstofftarget
• 504 BaF2 – Detektoren
BaF2 – Detektor
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
Invariante Massenspektrum
Von TAPS
Winkelverteilungen
→ M1 dominiert ( 5 – 3 cos² θ )
Crystal Ball
Invariantes Massenspektrum
von Crystal Ball
Zusammenfassung
• Q2 = 0• Atom-, Kern-, Nukleonspektrum• N→Δ – Übergang, M1p →Delta → 0 p • Invariante Masse• Bremsstrahlung tagging• TAPS• Crystalball