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