Experimente mit reellen Photonen

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Lukas Klein
vor 7 Jahren
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1 Experimente mit reellen Photonen Stefanie Bender und Kathlynne Tullney Der Vortrag versucht, einen Einblick auf Experimente mit reellen Photonen zu vermitteln. Diese dienen dazu, die Nukleonenresonanzen zu untersuchen und dadurch Auskunft über den Aufbau der Nukleonen zu erhalten. Exemplarisch wird dafür der erste Anregungszustand des Nukleons, die -Resonanz, genauer behandelt und zwar im Fall der Photoproduktion neutraler Pionen. Abb. 1: Anregungsspektrum des Nukleons Die -Resonanz liegt bei ca. 320MeV und lässt sich mit recht einfachen Metho-den untersuchen, da sie von anderen Resonanzen kaum überlagert wird. Durch die Bestrahlung des Nukleons mit Photonen kann die -Resonanz genauer un-tersucht werden. Bei diesem Prozess ist es am wahrscheinlichsten, dass neutrale Pionen ausgesendet werden: 0 γ p π p Zur Beschreibung des -Übergangs im Quarkmodell gibt es mehrere Möglichkeiten. Die Anregung kann durch einen magnetische Dipol (M1) oder durch einen elektrischen Quadrupol (E2) erklärt werden: Einfacher Spinflip S = 1/2 S = 3/2 M1 γ L = 0 L = 0 Doppel-Spinflip S = 1/2 S = 3/2 E2 γ L = 0 L = 0

2 Bahndrehimpuls γ S = 1/2 S = 1/2 E2 L = 0 L = 2 Abb. 2: -Übergang im Quarkmodell Verfahren zur Erzeugung reeller Photonen Zur Untersuchung der -Resonanz benötigt man hochenergetische Photonen, die mit zwei Verfahren erzeugt werden können: 1.) Compton-Rückstreuung: LASER-Photonen werden an den Elektronen des einlaufenden Elektronenstrahls elastisch gestreut, wobei ein Teil der Energie der Elektronen auf die Photonen übertragen werden kann. Abb. 3: Compton-Rückstreuung (laser backscattering) 2.) Bremsstrahlungsprozess: Aufgrund der Beschleunigung der Elektronen im Coulombfeld der Kerne des Radiators werden Photonen emittiert. Dadurch erhält man ein kontinuierliches Bremsstrahlungsspektrum, das durch eine 1/Eγ-Abhängigkeit beschrieben werden kann. B r Abb. 4: Bremsstrahlungsprozess Dabei werden 50% der Photonen in Vorwärtsrichtung unter dem charakteristischen Winkel Θ c = m e / E 0 emittiert ( kleine Strahlaufweitung). Zur Untersuchung höherer Nukleonenresonanzen verwendet man polarisierte Photonen:

3 1.) Zirkular polarisierte Photonen: Beim Bremsstrahlungsprozess wird die Helizität h = +1 der longitudinal polarisierten Elektronen aufgrund der Helizitätserhaltung auf die Photonen übertragen. Dadurch erhält man zirkular polarisierte Photonen. 2.) Linear polarisierte Photonen: Um die Ebene festzulegen, in der der elektrische Feldvektor der linear polari-sierten Photonen schwingt, muss zunächst die Richtung des Rückstoßimpulses auf den Kern bestimmt werden. Dazu nutzt man den Prozess der kohärenten Bremsstrahlung aus. Verwendet man einen Radiator mit ausgezeichneter Struk-tur, so muss zur Erzeugung r r kohärenter Bremsstrahlung die Bragg-Bedingung q = n g (Impulsraum) erfüllt sein. Richtet man den Kristall so aus, dass der Rückstoßimpulsvektor einem Vielfachen eines reziproken Gittervektors ent-spricht, so hat man die Ebene, in der der elektrische Feldvektor der erzeugten Photonen schwingt, festgelegt und erhält dadurch linear polarisierte Photonen. Experiment mit reellen Phtonen In einem Experiment wird die Photoproduktion neutraler Pionen näher unter-sucht: γ p π 0 p γ γ p Ziel des Experimentes ist nun die -Resonanz näher zu untersuchen, sowie den Ausgang der Reaktion, d.h. es soll experimentell überprüft werden, dass bei die-ser Reaktion neutrale Pionen emittiert werden. Anforderungen an das Experiment: energiemarkierte Photonen Tagger große Raumwinkelabdeckung für Nachweis der beiden Zerfallphotonen des Pions TAPS bzw. Crystal Ball Der Tagger dient dazu die Energie der Photonen zu bestimmen. Diese lässt sich aus der Einschussenergie der Elektronen (E0) und der Energie der gestreuten Elektronen (Ee-) bestimmen: E E. Dazu werden die Elektronen in ei-nem magn. Dipol Eγ = 0 e impulsselektiert abgelenkt und anschließend in einem Detek-torsystem (Elektronenleiter) ortsauflösend nachgewiesen. Der Nachweis erfolgt koinzident mit der Messung der beiden Zerfallsphotonen des Pions, damit die erzeugten Bremsstrahlungsphotonen dem jeweils richtigen Bremsstrahlungselektron zugeordnet werden.

4 Abb. 5: Photonenmarkierungsanlage (Tagger) Das Pion kann aufgrund seiner kurzen Lebensdauer selbst nicht nachgewiesen werden, sondern es muss rekonstruiert werden. Es ergeben sich zwei verschiedene Rekonstruktionsmöglichkeiten: 1.) Fehlende Masse (Missing Mass): Bei dieser Methode erfolgt der Nachweis des Pions über die Messung des Protonenimpulses nach der Reaktion. 2.) Invariante Masse: Bei dieser Methode erfolgt der Nachweis des Pions über Messung der Energie der beiden Zerfallsphotonen, sowie dem Winkel θ den diese miteinander einschließen. Abb. 6: Zerfall des neutralen Pions Über eine kinematische Rechung erhält man dann die folgende Gleichung: Eγ E 2 1 γ mπ = 2 ( 1 cosθ ) c Diese Methode wird im Experiment zum Nachweis des neutralen Pions angewendet. Die verwendeten Detektoren TAPS und Crystal Ball sind in den folgenden Abbildungen dargestellt. Mit dem TAPS kann nur eine Raumwinkelabdeckung von 31% erreicht werden, wohingegen der Crystal Ball nahezu den gesamten Raum-winkel abdeckt.

5 Abb.7: TAPS mit flüssigem Wasserstofftarget Abb. 8: Crystal Ball Die beiden Detektoren bestehen beide jeweils aus mehreren hundert Szintillator-modulen.

6 Messergebnisse 1.) Nachweis des Pions über die Methode der Invarianten Masse: Abb. 9: Massenspektrum Der erste Peak beschreibt die Masse des neutralen Pions. Da dieser sehr stark ausgeprägt ist, ist somit gezeigt, dass neutrale Pionen emittiert werden. 2.) Winkelverteilungen des neutralen Pions: Abb. 10: Winkelverteilung Diese Winkelverteilung wurde für eine Einschussenergie der Photonen von 320 MeV aufgenommen. Die Parität und der Spin der -Resonanz können über entsprechende Erhaltungs-sätze + (Gesamtdrehimpuls, Parität, etc.) und die gemessenen Winkelverteilungen zu ( 3/ 2) bestimmt werden.

7 Sγ =1 S π = 0 lγ 0 γ π + lπ p p S =1/ 2 =1/ 2 p Abb. 11: Feynman-Diagramm der Photoproduktion neutraler Pionen Für die elek. Quadrupolanregung und die magn. Dipolanregung können theore-tisch Winkelverteilungen berechnet werden. Die Anpassung von (5-3cos²θ) an die Messwerte bestätigt die Annahme, dass die -Resonanz hauptsächlich durch eine magn. Dipolanregung erfolgt. S p

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