Experiment A2 - Forschungs-Highlights

1. Kohärente π0 Produktion an Kernen

Formfaktoren beschreiben die räumliche Verteilung von Ladungen, Massen, magnetischen Momenten oder anderen Größen in zusammengesetzten Systemen. Sie lassen sich durch den Vergleich von Streuexperimenten an punktförmigen und ausgedehnten Objekten bestimmen.Ladungsformfaktoren von Atomkernen, die von der Kohärente π0 Produktion an Kernen Verteilung der Protonen im Kern dominiert sind, wurden in der Vergangenheit in Elektronstreuexperimenten präzise vermessen und interpretiert [1].

Schwieriger ist es, die Neutronenverteilung oder die Verteilung der Materie, die von Protonen und Neutronen gleichermaßen beeinflußt wird, experimentell zu bestimmen. Gerade die Neutronenverteilung stößt zur Zeit auf reges Interesse in Kern- und Astrophysik [2].

Am Crystal-Ball Experiment an MAMI wird die kohärente Erzeugung von Pionen verwendet, um diese Materieverteilung in Atomkernen zu messen. Bestrahlt man einen Kern mit Photonen ausreichend hoher Energie können diese absorbiertund dabei neutrale Pi-Mesonen kohärent an allen Nukleonen erzeugt und emittiert werden.

Da die Wahrscheinlichkeit für diese Reaktion an Protonen und Neutronen gleich ist, läßt sich aus der gemessenen Winkelverteilung auf die Materieverteilung im untersuchten Kern schließen [3].

Die Abbildung 1. zeigt eine kürzlich mit dem Crystal-Ball Detektor gemessene Winkelverteilung kohärent an Bleikernen erzeugter Pionen. Deutlich sind charakteristische Diffraktionsminima zu erkennen. Mit unserer einzigartigen  hermetischen Detektoranordnung ist es darüberhinaus erstmals gelungen, auch solche Prozesse, bei denen der Kern nicht im Grundzustand verbleibt, sondern angeregt wird, eindeutig zu identifizieren [4] (Bild 2).

[1] J.Friedrich Physik in unserer Zeit 6:165, 1982
[2] J. Piekarewicz, Eur.Phys.J.A32:537,2007
[3] B. Krusche, Eur.Phys.J.A26:7,2005
[4] C.Tarbert et al. Phys.Rev.Lett.100:132301,2008.  

2. Bestimmung des Dalitz-Plot-Parameters α für den Zerfall η→3π0 mit dem Crystal Ball am MAMI

Der Dalitz-Plot-Parameter α beschreibt in erster Ordnung die Abweichung der Ereignisdichte im Dalitz-Diagramm von der reinen Phasenraumverteilung, die durch die Bestimmung des Dalitz-Plot-Parameters α für den Zerfall η→3π0 mit dem Crystal Ball am MAMIEndzustandswechselwirkung der drei neutralen Pionen aus dem Zerfall η→3π0 verursacht wird. Dieser Zerfall kann nur durch den isospinverletzenden Teil der Hamiltonfunktion der Quantenchromodynamik, der die Massendifferenz der beiden leichtesten Quarks u und d enthält, erzeugt werden. Da elektromagnetische Effekte hier vernachlässigbar sind, ist die Zerfallsamplitude proportional zu dieser Massendifferenz. Damit stellt dieser Zerfall eine sehr gute Möglichkeit dar, Symmetrien und symmetriebrechende Verhalten in der QCD zu studieren und Berechnungen in der chiralen Störungstheorie zu testen. Der Dalitz-Plot-Parameter α wurde aus Experimenten, die mit dem Crystal Ball/TAPS-Aufbau am Beschleuniger MAMI-B in den Jahren 2004 und 2005 durchgeführt wurden, bestimmt. Photonen wurden durch den Bremsstrahlungsprozess der Elektronen an einem Radiator erzeugt und durch ein magnetischen Spektrometer (Glasgow-Mainz-Tagger) energiemarkiert. Über die Reaktion γp→pη und die Zerfallskette η→3π0→6γ wurden anschließend sechs Photonen emittiert. Diese Reaktionsteilchen wurden von den Photonenspektrometern Crystal Ball und TAPS registriert. Neben der Auswertung der experimentellen Daten erforderte die Berechnung von α die genaue Kenntnis des Phasenraums des Zerfalls, der durch eine Simulation ermittelt wurde. Mit Hilfe von kinematischen Anpassungen wurden sowohl die gemessenen als auch die simulierten Ereignisse hinsichtlich einer Reaktionshypothese überprüft und selektiert. Mit der getroffenen Auswahl von insgesamt ca. 1,8 Millionen Ereignissen wurde das Verhältnis der Ereignisdichten der gemessenen und der simulierten Dalitz-Diagramme gebildet, um den Phasenraumanteil zu eliminieren. Aus der Steigung s einer an dieses Verhältnis angepassten Geraden wurde der Dalitz-Plot-Parameter durch α=s/2 zu α=-0,028±0,002 bestimmt.

J. Gasser and H. Leutwyler, Nucl. Phys. B250, (1985) 539.
J. Kambor et al., Nucl. Phys. B465, (1996) 215.
J. Bijnens and K. Ghorbani, JHEP 0711, (2007) 030.
B. Borasoy and R. Nißler, Eur. Phys. J. A26, (2005) 383.

3. Magnetische Momente von Baryonen

Die magnetischen Dipolmomente (MDM) von Baryonen sind wichtige Observablen, mit denen ein Test verschiedener theoretischer Modelle der inneren Struktur dieser Teilchen möglich wird. Während die magnetischen Momente der Oktett-Baryonen, wie z.B. dem Proton, experimentell sehr genau bestimmt wurden, sind solche statischen Eigenschaften der Dekuplett-Baryonen aufgrund deren äußerst geringer Lebensdauer einer Messung nicht direkt zugänglich. Die strahlungsbegleitete π0-Produktion γp→p π0γ’ermöglicht in Verbindung mit einem theoretischen Modell dieser Reaktion eine experimentelle Bestimmung des magnetischen Moments der D+(1232)-Resonanz. Diese Reaktion wurde in den Jahren 2004/2005 mit dem Crystal Ball/TAPS-Detektoraufbau am Elektronenbeschleuniger MAMI-B (883 MeV) in Verbindung mit dem Glasgow-Mainz-Taggingspektrometer zur Erzeugung eines energiemarkierten Photonstrahls untersucht. Dabei wurden neben dem totalen Wirkungsquerschnitt der Reaktion γp→p π0γ’ auch energie- und winkeldifferentielle Wirkungsquerschnitte des emittierten Photons γ’ bestimmt; zudem konnte zum ersten Mal die π0-Photonasymmetrie dieser Reaktion für einen linear polarisierten Photonenstrahl gemessen werden.

M. Kotulla et al.: The Reaction γp→p π0γ’ and the Magnetic Dipole Moment of the D+(1232) Resonance,
Phys. Rev. Lett. 89 (2002) 272001

D. Drechsel, M. Vanderhaeghen: Magnetic dipole moment of the D+(1232) from the γp→p π0γ’ reaction,
Phys. Rev. C 64 (2001) 065202

V. Pascalutsa, M. Vanderhaeghen: Chiral effective-field theory in the D+(1232) region. II. Radiative pion photoproduction,
Phys. Rev D 77 (2008) 014027

4. Messung Helizitätsabhängiger Wirkungsquerschnitte im GDH-Experiment

Im Standardmodell der Elementarteilchen stellen wir uns die Nukleonen (Protonen und Neutronen) im einfachen Konstitutenten-Quark-Modell als aus 3 spinbehafteten Valenzquarks zusammengesetzte Objekte vor. Hiermit kann intuitiv verstanden werden, warum der Spin bei der Betrachtung des Anregungsspektrums der Nukleonen eine wichtige Rolle spielt. Messung Helizitätsabhängiger Wirkungsquerschnitte im GDH-Experiment

Die Gerasimov-Drell-Hearn (GDH) Summenregel verbindet die Helizitätsstruktur von Wirkungsquerschnitten mit Grundzustandseigenschaften des Nukleons. Sie liefert das erstaunliche Ergebnis, dass das anomale magnetische Moment des Nukleons in einer einfachen Beziehung zum Photoabsorptionswirkungsquerschnitt für die parallele und antiparallele Spinausrichtung zwischen Photon und Proton steht.

Im GDH-Experiment an den Elektronenbeschleunigern MAMI und ELSA wurde diese fundamentale Summenregel weltweit erstmalig überprüft.

J. Ahrens et al., Phys. Rev. Lett. 84, 5950 (2000).
J. Ahrens et al., Phys. Rev. Lett. 87, 022003 (2001).
J. Ahrens et al., Phys. Rev. Lett. 88, 232002 (2002).
J. Ahrens et al., Eur. Phys. J. A 17, 241 (2003).
J. Ahrens et al., Eur. Phys. J. A 26, 135 (2005).
J. Ahrens et al., Phys. Rev. C 74, 045204 (2006).
J. Ahrens et al., Phys. Rev. Lett. 97, 202303 (2006).
J. Ahrens et al., Eur. Phys. J. A 34, 11–21 (2007)