Hadronenphysik

Suche nach Medium-Modifikationen von Hadronen:
Experimente an HADES/SIS und ANKE & TOF/COSY und begleitende Theorie


1. Physikalische Motivation

Chirale Symmetrie (und das dazugehörige Schema der Symmetriebrechung) ist ein grundlegendes Prinzip der starken Wechselwirkung. Es basiert auf der fundamentalen Theorie der starken Wechselwirkungen, der Quanten-Chromodynamik. Unter normalen Umständen (z. B. in unserem physikalischen Vakuum) ist die chirale Symmetrie spontan und explizit gebrochen. In verdichteter und erhitzter nuklearer Materie jedoch wird die chirale Symmetrie partiell wieder hergestellt. Insbesondere ändern sich dabei Eigenschaften der Hadronen.

Die Erklärung des Ursprungs der Massen grundlegender Konstituenten von Materie stellt eine bedeutende Herausforderung an die moderne Teilchenphysik dar. Hadronen (Protonen und Neutronen) besitzen 99% der Masse von leuchtender Materie im Universum; das Gleiche gilt für unsere natürliche Umgebung, wo Protonen und Neutronen in großem Maße in Kernen gebunden sind.

2. Das HADES-Experiment: grundlegende Ideen

Um das Phänomen der "Masse von Hadronen" zu verstehen werden gegenwärtig viele unterschiedliche Untersuchungen durchgeführt. Eine interessante Idee ist das Studium der Zerfallsprodukte von besonders geeigneten Hadronen in der Umgebung von stark wechselwirkender Materie. Rho-, Omega- und Phi-Mesonen sind beispielsweise solche geeigneten Hadronen. Sie können durch das Beschießen von Kernen mit elementaren Projektilen hergestellt werden oder entstehen beim Zusammenprall von Schwerionen. Die so produzierten Rho-, Omega- und Phi-Mesonen zerfallen, neben anderen Teilchen, in Elektronen-Positronen-Paare, die die umgebende stark wechselwirkende Materie fast ungestört verlassen und damit einen direkten Zugang zur Originalmasse ihrer Ausgangshadronen zulassen. Dadurch wird in-medium Hadronen-Spektroskopie möglich.

Bis zu einem gewissen Grade suchen wir nach einer Veränderung im hadronischen Anregunsspektrum durch ein externes Feld (dargestellt durch die umgebende nukleare Materie). Dies ist analog der Atomphysik, wo externe elektromagnetische Felder das Spektrum verändern, wie seit langem durch die Stark- und Zeeman-Effekte verifiziert wurde.

3. HADES: Detektor Aufbau

Der elektromagnetische Zerfall von Vektormesonen ist ein seltener Prozess. Daher benötigt man spezielle Detektoren, um die gesuchten e+e--Paare aus einer großen Menge anderer Teilchen zu separieren. Zusätzlich muss die Geschwindigkeit des Elektrons (e-) und des dazugehörigen Positrons (e+) mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Diese Erfordernisse werden durch einen ringabbildenden-Cherenkov-Zähler (RICH), hoch positionsempfindlichen Driftkammern (MDCs) realisiert. Das Schema des HADES-Detektors und weiterer Details von RICH, MDC und des supraleitenden Magneten werden getrennt erläutert.

HADES ist ein Acronym von High Acceptance Di-Electron Spectrometer. Es ist im Cave H an der GSI in Darmstadt installiert (siehe Bild). Der Schwerionen-Synchrotron SIS stellt Strahlen von Ionen (E d 2 AGeV) und Protonen (E d 4 GeV) bereit; auch ein Pionenstrahl (Pn d 2,8 GeV/c) steht zur Verfügung. Neben Standard-Folientargets können außerdem Hydrogen/Deuteriumtargets verwendet werden.

4. HADES: Physikalische Programme

Das bedeutendste Ziel von HADES ist die systematische und präzise Hadronenspektroskopie von Rho-, Omega- und Phi-Mesonen durch den e+e--Zerfallskanal. Die physikalischen Programme können in
(i) Experimente mit Schwerionen (Untersuchen des in-medium Verhaltens in verdichtetem Kernmaterial),
(ii) Protonen- und Pionenstrahl-Experimente (Untersuchen des in-medium Verhaltens in Kernmaterie im Grundzustand) und
(iii) Protonen- und Pionenstrahl-Experimente an Proton/Deuterium-Target (Untersuchen elementarer Reaktionskanäle) eingeteilt werden. Neben der exzellenten Gelegenheit, viele Fragen zu stellen, die mit dem e+e--Kanal hadronischer Wechselwirkungen verbunden sind, kann HADES auch als Hadronen-Spektrometer mit einer großen Winkelakzeptanz dienen.

Die Experimente der ersten Runde sind hier genauer beschrieben.

5. Unser Beitrag zur HADES-Ausstattung

Im Detektorlabor des Instituts für Kern- und Hadronenphysik wurden die großen (aktive Oberfläche 2,2 m²) Drahtkammern (MDCs) aufgebaut. Sechs dieser MDCs sind als Hexagon angeordnet und hinter dem supraleitenden Magneten von HADES installiert. Jede MDC besteht aus 7 Kathodenschichten und 6 Anodenschichten. Die Drähte (250 pro Schicht, 80 µm Aluminium für Kathoden, 100 µm Tungsten für Felddrähte, 20 µm für Signalauslesedrähte von Anoden) sind von Schicht zu Schicht im relativen Winkel von 20 Grad geneigt. Die Größe der Driftzellen (12 x 8 mm²), die Genauigkeit der Positionierung der Drähte (± 20 µm) und die mechanische Stabilität der kompletten Kammer stellen eine technologische Herausforderung dar. Die Bedeutung der MDCs (zwei vor und zwei hinter dem Magneten) ist, ein hochpositionsempfindliches System für die genaue Bestimmung der Teilchentrajektoren zu haben. Dies erlaubt die Bestimmung der Geschwindigkeit des Elektrons/Positrons und daraus resultierend die Masse der Ausgangshadronen.

Unsere MDCs sind wie Formel-1-Rennwagen; die Auslastung erfolgt bis an die Grenzen und sie erfordert dauernde Pflege.

6. Experimente an ANKE & TOF: Mesonen mit Strangeness

Hadronen mit Strangeness, speziell Anti-Kaonen, werden als Alternative für empfindliche Sonden bei Untersuchungen von in-medium Eigenschaften betrachtet. Anti-Kaonen (K-) erleiden entsprechend der theoretischen Vorhersagen eine wesentliche Absenkung ihrer effektiven Masse in dichter Kernmaterie. Diese Vorstellung hat eine Serie von Schwerionen-Experimenten in den späten 90er Jahren initiiert (siehe unten). Es zeigte sich jedoch, dass in Schwerionen-Reaktionen eine ganze Reihe nur wenig bekannter elementarer Reaktionskanäle aktiv sind; deshalb ist es bis heute eine debattierte Frage, ob die vorausgesagten in-medium Veränderungen in den Aufsehen erregenden experimentellen Befunden direkt zu verifizieren sind. Daher tauchte die Idee auf, unterstützt von detaillierten Errechnungen, die K-Produktion in Proton-Kern-Kollisionen zu untersuchen. Hierbei sind wesentlich weniger Kanäle aktiv, und die Nukleonendichte ändert sich nicht so abrupt wie bei Schwerionenkollisionen. Der Spektrometer ANKE an dem internen Strahl des Cooler Synchrotrons COSY/FZ Jülich bietet die einmalige Möglichkeit Antikaonen-Produktion in Verbindung mit Kaonen in Protonen-Kern-Kollisionen nahe und unterhalb der Schwelle zu untersuchen.

Vor kurzem haben wir in unserem Labor die großen Start- und Stop-Drahtkammern für ANKE gebaut und darüber hinaus weitere spezielle Bestückungdes ANKE-Detektors zur Verfügung gestellt.

Das Flugzeit-Spektrometer TOF nutzt auch den Strahl von COSY. Zusammen mit Kollegen der TU Dresden haben wir ein Start-Detektor-System gebaut und das große Fass ausgerüstet. An TOF sind wir interessiert an Messungen von Kaonen im Zusammenhang mit Hyperonen in Proton-Proton-Reaktionen.

7. Ursprung unserer experimentellen Expertise

Während wir uns nun auf die Hadronen-physikalischen Untersuchungen an HADES/SIS und ergänzend an ANKE & TOF/COSY konzentrieren, reichten unsere früheren Aktivitäten von Untersuchungen von Strangeness-Freiheits-Graden bis zu elektromagnetischen Signalen in kollidierenden Hadronen-Systemen in unterschiedlichen Kollaborationen.

8. Theorie

Die Theoriegruppe in der Hadronenphysik-Abteilung betreut die erläuterten Experimente. Voraussagen und Interpretationen ausgewählter Themen auf den Gebieten Strangeness und seltene elektromagnetische Signale der Untersuchungen werden bearbeitet. Die meisten unserer Berechnungen beziehen sich direkt auf Experimente, die mit Beteiligung des HZDR durchgeführt wurden. Unsere Werkzeuge sind QCD-Summen-Regeln, effektive hadronische Wechselwirkungs-Lagrangians und Transport-Modelle. Zusätzlich beschäftigen wir uns mit unterschiedlichen phänomenologischen Aspekten von deconfined matter als einem Zustand mit restaurierter chiraler Symmetrie in stark wechselwirkender Materie, wie er in hochenergetischen Schwerionenreaktionen erreicht werden kann. Während die Untersuchungen von dichter und heißer hadronischer Materie in mittel-energetischen Stößen von Hadronensystemen von großem Interesse für das Verständnis von astronomischen Objekten wie Supernovae und Neutronensternen sind, sind die Studien über Deconfinement-Effekte von Interesse für Szenarios für den Urknall.