Experimente mit reellen Photonen. Kernphysikalisches Seminar zum F-Praktikum Christian Wuttke

Transkript

1 Kernphysikalisches Seminar zum F-Praktikum Christian Wuttke 1

2 Übersicht Gliederung 1. Überblick und Motivation 3. Verfahren zur Erzeugung von reellen 5. Ein Beispielexperiment und Aufbau 7. Ergebnisse, Zusammenfassung & Ausblick 2

3 Teil 1: Überblick und Motivation Versuche mit hochenergetischen (γ-strahlung) Bisher bekannt Anregung der Hülle Photoeffekt Paarbildung Comptoneffekt Energiegrößenordnungen Hülle ev - kev Sichtbar 0,5eV - 4eV Röntgen ~ 10eV - kev Nukleon ~ GeV Struktur Nukleon hohe Energien ~GeV -Resonanz ( polarisierte Targets ) ~ MeV Maximum bei 320MeV γ Spin 1/2 Spin 3/2 3

4 Teil 1: Erzeugung der Pionen Untersuchung des Kerns mit Licht Photon + Kern γ? Kern + stark WW Teilchen N (oder Photon)? N Pion- Photoproduktion 2. γ p π + n 3. γ p π 0 p 4. γ n π - p 5. γ n π 0 n } mind. Deuterium SP π x N 4

5 Teil 1: Erzeugung der Pionen x t 5

6 Teil 1: Pionenzerfall Eigenschaften der Pionen: Teilchen π 0 Ruhemasse 135,0 MeV Lebensdauer 0,8 * s Freie Weglänge bei 1MeV 2 nm Zerfallsprozess π 0 γ + γ π + 139,6 MeV 2,6 * 10-8 s 60 cm π + µ + + ν µ π 139,6 MeV 2,6 * 10-8 s 60 cm π µ + ν µ Identifikation der Pionen Invariante Ruhemasse Ladung Zerfall Vermesse hier -Resonanz Suche π 0, denn überwiegend resonant erzeugt kaum direkten Terme zu erwarten 6

7 Teil 1: Der Weg Der Weg zusammengefasst: Resonanz soll untersucht werden Eine Mögl.: Messe σ bzgl. π 0 -Bildung abhängig von der Energie Wir benötigen γ-quanten bekannter Energie großes Energieintervall der γ-quanten (Resonanzkurve) Protonen flüssiger Wasserstoff π 0 -Nachweis 7

8 Teil 2: Erzeugung von monochromatischer γ-strahlung Erzeugung von quasimonochromatischer γ-strahlung em-prozesse günstig σ groß Die 3 Grundideen: e + e - -Annihilation - eher von geschichtlichem Interesse Laserbackscattering (Compton-Streuung) Bremsstrahlung 8

9 Teil 2: e + -e - -Annihilation e + e - -Annihilation e + +e - γ + γ e + e - ω 2 θ ω 1 ω 1 = E + + m e E E + + m e 2 me 2E γ 2 cosθ 0 1 für Θ=0 Einfallender Strahl bestimmt die Energie Problem: Bremsstrahlungsuntergrund 9

10 Teil 2: Laserbackscattering Laserbackscattering - Compton-Streuung Laser e - p 0 ω 0 p Polarisation leicht einstellbar (Laser) Kollimation begrenzt Energiespektrum Energieausbeute θ 0 θ e - k Standort Osaka GRAAL Brookhave n Experimen SPRING t 8 Greenoble LEGS E 0 8 GeV 6 GeV 2,5 GeV ω 2,4 GeV 1,5 GeV 300 MeV 10

11 Teil 2: Bremsstrahlung Bremsstrahlung ~ Intensität M p 0 q γ virtuell k γ e - 50% p e - 50% Charakter. Winkel: Θ γ 50% der Bei 855MeV: Θ c = 0,6mrad 1 c = = m e E 0 11

12 Teil 2: Bremsstrahlung Kinematik: E = q ~0 E + k E0 q γ 0 p 0 E + p e - Austauschphoton Eingang γ e - Ausgang E 0 = E e + E γ m K >>m e Energetisch: 2-Körperprozess Energie der unbekannt Wirkungsquerschnitt: dσ 1 ~ de E γ γ 12

13 Teil 2: Prinzip des Taggingverfahrens E γ = E 0 - E e E 0 E e 13

14 Teil 2: Taggingapparatur Glasgow Tagger der Universität Mainz 14

15 Teil 2: Glasgowtagger 15

16 Teil 2: Eigenschaften Tagging Rate der unbekannt ε = N γ Tagging Efficiency: N γ : Rate der markierten N e N e : Rate der Elektronen in der Ladder Kollimation andere Effekte (e - ohne Photon etc.) Energieauflösung: Breite der Stufen ~2MeV Zeitauflösung: jeder Detektor 1MHz Direkte Auswirkung: rate 1MHz Fläche = Rate > 1MHz E min E max 16

17 Teil 3 Teil 3 Experiment und Aufbau 17

18 Teil 3: Zerfall des Pions π 0 - Zerfall Resonanz zerfällt isotrop π 0 zerfällt isotrop im Ruhesystem Keine Information über die Richtung Konsequenz: Detektor mit großem Raumwinkel Ruhesystem Laborsystem p γ1 p γ1 * p γ2 p γ2 α β 18

19 Teil 3: Szintillationsdetektoren Szintillationsdetektoren Prinzip: hochenergetische γ einfacher nachweisbarere Teilchen Zähle diese BaF 2 Emissionsmax. Abklingzeit Quantenausbeute Verwendung Schnelles Licht 220nm 0,7ns 2000 /MeV Triggerung Langsames Licht 310nm 620ns 8000 /MeV Energiemessung 19

20 Teil 3: Szintillationsdetektoren 20

21 Teil 3: TAPS-Detektor ~1m TAPS-Detektor (Mainz) 21

22 Teil 3: TAPS-Detektor 22

23 Teil 4 Teil 4 Ergebnisse, Zusammenfassung und Ausblick 23

24 Teil 4: Koinzidenzzeit Zeitabstand Tagger Detektor: 60ns (im Mittel) wird 0 gesetzt 24

25 Teil 4: Massenerhaltung Rekonstruktion der π 0 Masse ist Lorentzskalar: p 2 = (mc) 2 (in jedem Bezugssystem) m = p = ( p 1 + p 2 ) 2 = p p p 1 p 2 = 0 ( ) = 2( E γ E cosα ) 2 2 (1 cosα) 1 γ p p = Eγ E 1 γ Zeit Vektorkomponente m = 135, 0MeV π 0 25

26 Teil 4: Massenidentifikation Zu wenig Energie abgegeben 25MeV Untergrund Zufällige Koinzidenzen m = 2E E (1 cosα) = 135, 0MeV γ 1 γ 2! 26

27 Teil 4: Bestimmung des Wirkungsquerschnitts Bestimmung des Wirkungsquerschnitts ΔN Ereignis = N γ n Target ε TAPS dσ dω ΔΩ Größen aus Messung bekannt Ausnahme Ansprechwahrscheinlichkeit ε TAPS nicht zugänglich Komplexe Geometrie des Detektors Startverteilung (Spin, Winkel etc.) Isotropie der Emission Komplizierte ε Funktion abhängig vom Winkel Zugänglich durch Simulation 27

28 Teil 4: Ergebnisse Totaler Wirkungsquerschnitt Theoret. Berechnung Differentieller Wirkungsquerschnitt 28

29 Teil 4: Crystalballdetektor 29

30 Teil 4: Zusammenfassung Erzeugung/Tagging Erzeugung: Annihilation, Backscattering, Bremsstrahlung Feststellung der Energie (2 Körperprozess indirekt) Das Experiment π 0 als Indiz für Kernresonanz TAPS BaF 2 anorg. gute Lichtausbeute (2 Lichtkomponenten) Vetodetektoren Identifikation über die invariante Masse und Ladung Wirkungsquerschnitte über Raten und Ansprechwahrscheinlichkeit 30

31 Das Ende The End 31

32 Sonderfolie 1 Impulsübertrag: k m e 2 E E 0 q 2 E 0 32

33 Sonderfolie: Polarisation (1) k 2E 0 E q 2E Aus der Kinematik: p 0 q 0 Rez. Gitter Bragg-Bedingung: Kristall kann nur dann Energie aufnehmen, wenn der Impulsvektor einem rez. Gittervektor entspricht. p 0 q Rez. Gitter 33

34 Sonderfolie: Polarisation (2) E-Feldvektor muss in der Ebene sein M p 0 M M M q M M M M Skalierung beliebig gewählt p 0 E Kohär. q M p 34

35 Sonderfolie: Parasitäre P Bremsstrahlungsrealisierung Parasitäre Realisierung Bremsstrahlungstarget γ Experiment B-Feld B-Feld Beschleunigungssektion weitere Experimente e - 35

36 Ablage 36

37 Sonderfolie: Bilanz Bremsstrahlung Laser-Compton-Streuung Intensitätsmaximum bei niedrigen Energien Polarisation einstellbar weißes Spektrum: gleichzeitig großen Energiebereich vermessen große Intensitäten möglich Keine Winkelabhängigkeit der Energie: Kollimierung ändert Spektrum nicht Maximale γ-energie = Energie des Elektronenstrahls - ε Intensitätsmaximum bei hohen Energien Polarisation durch Laser Spektrum ist nur schwer zu verändern (Laser) Intensitäten geringer Winkelabhängiges Spektrum Geringer max. Energieübertrag LEGS 2,5 GeV 300 MeV GRAL 6 GeV 1,5 GeV 37