Kerne und Teilchen. Kernkraft. Moderne Experimentalphysik III Vorlesung 16. MICHAEL FEINDT INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK

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1 Kene und Teilchen Modene Expeimentalphysik III Volesung 16 MICHAEL FEINDT INSTITUT FÜ EXPEIMENTELLE KENPHYSIK Kenkaft KIT Univesität des Landes Baden-Wüttembeg und nationales Foschungszentum in de Helmholtz-Gemeinschaft

2 Kenkaft Wechselwikung zwischen fabneutalen Nukleonen eichweite Nukleongöße Atomstuktu elektomagnetische WW, Potential Kenstuktu Kenkaft? QCD ~ feie Nukleonen in Potentialtopf; Potential kollektive Effekte Vielteilchenphysik & stake WW quantitativ schwieig Was kann man untesuchen: Nukleon-Nukleon Steuung, Patialwellenanalyse V() allg. Fom des NN Potentials, Tansfomationsvehalten und Symmetie Deuteon H d = einzige -Nukleon gebundene Zustand Spin-Spin Effekte und abstoßende Kaft Austauschkäfte auf Quakniveau Mesonenaustausch Töpfchen, Femigas, Schalenmodelle (Nukleonen "makieen": Hypekene) Michael Feindt, Modene Physik III, Volesung 16

3 Nukleon-Nukleon Potential aus NN Steuung bei niedigen Enegien Spins: J = 1 J = 0, J = 1 Isospin: p p I = 1 p n I = 0, I = 1 senkecht zu Poduktionsebene (Paitätsehaltung) abstoßende "Had Coe" < 0.8 fm anziehendes Potential weite daußen Potential: V = skalae Göße, tanslations-, otationsinvaiant, symm. unte Teilchenaustausch abhängig von p, L, s1, s V ( ) = V0 ( ) + VSS ( ) s1 s / h + VLS ( ) ( s1 + s) L / h + Teme höhee Odnung + VT ( ) [ 3 ( s1 x)( s x) / ( s1 s) ] / h Zentalpotential Spin-Spin WW Tensopotential Spin-Bahn WW J = 0: pp, nn: anziehende Teil nicht stak genug fü Bindung J = 1: V 0, V T, V SS geade stak genug, um gebundenen Zustand zu bilden: Deuteon Michael Feindt, Modene Physik III, Volesung 16

4 Deuteon einfachste zusammengesetzte Ken ; 1 H ; (pn) Bindungsenegie B =.5 MeV Spin und Paität J P = 1 + Isospin I = 0 keine geb. pp, nn Zustände magn. Moment µ = µ N elekt. Quadupolmoment Q = 0.8 e fm (fü l=0 ewate µ d = µ p +µ n = ( ) µ N = µ N : leichte Abweichung) (fü l=0 ewate Q=0 wg. Kugelsymmetie) Deuteon Wellenfunktion enthält Beimischung von l = (duch Tenso WW) (ca 4% Wahscheinlichkeit fü D Welle) 3 3 d = 0.98 S D1 Abschätzung: mittlees konstantes Potential innehalb de eichweite a Va 100 MeV fm Kastenvolumen Potentialtiefe ca. 50 MeV, abe Bindungsenegie nu. MeV elativ schwache effektive Anziehung ist geade eben stak genug, Kene zu binden ψ Michael Feindt, Modene Physik III, Volesung 16

5 Chaakte de Kenkaft Abstoßung bei kleinen Abständen bei Molekülen eine Folge des Pauli - Pinzips hie: ψ (N) = ψ (6q) antisymm. unte Quak Austausch 1q im Gundzustand (l=0) möglich: 3 Faben Spins Isospins weil Fabe imme antisymmetisch I, J Anteil symmetisch Otsanteil wg. l=0 symmetisch Had-Coe Abstoßung duch stake S S - WW 6q mit bei 0 haben hohe Enegie ("Fabmagnetismus") Anti-Paallel-Stellen nu möglich, wenn q in l=1 Zustand gehen das kostet auch Enegie (vegleichba viel) Folge: Nullstellen von ψ d bei = 0.4 fm zusammen mit V SS stake, kuzeichweitige Abstoßung Michael Feindt, Modene Physik III, Volesung 16

6 Kenkaft und Bindung ( ) ψ W = adiale Aufenthaltswahscheinlichkeit H Molekül b fm Abstand zwischen beiden H Atomen gut definiet a klein a goß "stake Bindung" E B Topftiefe E kin klein Deuteon Abstandsveteilung zwischen p und n seh beit: 100% eichweite des anziehenden Potentials V a = konst V 50 MeV effektive Tiefe Michael Feindt, Modene Physik III, Volesung 16 abstoßende Ken geade eben gebunden E B << Topftiefe E kin goß Quelle: Povh, Teilchen und Kene

7 Massenspektum paallele Spins gößee Bayonmasse d.h. höhee Enegie in gebundenen Systemen kann Gesamtenegie duch antipaallele Ausichtung veinget weden: (benötigt abe Anhebung auf l=1) Übelappende Nukleonen: 6 Quaks a + b Bei =0: P(b) = 8/9 L=1 L=0 bei gößeen Abständen P(b) 0 enegetisch günstige abstoßende Ken duch Spin-Spin WW Quelle: Povh, Teilchen und Kene Michael Feindt, Modene Physik III, Volesung 16

8 anziehende Kaft analog zu Atomphysik: Ionenbindung? van-de-waals Kaft? Kovalente Bindung? Nein, Confinement Käfte zu goß Dipol-Dipol WW? Nein, -Gluonen Austausch bei kleinen Abständen zu schwach, bei goßen Abständen duch Confinement veboten. Nu fabneutale Objekte elaubt. Quak Austausch? H - Molekül Deuteon Geht im Pinzip, ist abe wegen Fabneutalität um Fakto 3 eduziet nicht stak genug! Abe: im Nukleon gibt es auch See Antiquaks G B G B Michael Feindt, Modene Physik III, Volesung 16

9 anziehende Kaft Besse: ein Quak läuft ückwäts in de Zeit qq Austausch qq Austausch entspicht Meson Austausch! Meson Austausch von (massiven) Mesonen: Yukawa - Potential V ( ) = = g g e e mc h mit = hc mc exponentiell abklingend goße Masse kleine eichweite Hadon-Hadon Wechselwikungen sind gut duch Meson Austausch bescheibba. Je nach Quantenzahlen: π Austausch ρ, ω, Austausch c 197MeV fm = h = 1. 4 fm mc 140MeV Michael Feindt, Modene Physik III, Volesung 16