Präzisionsmessung von leichten Hyperkernmassen

• Antragsteller: Professor Dr. Josef Pochodzalla
• Subject Area: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 397465087

Der leichteste Hyperkern besteht aus einem Neutron, einem Proton und einem Lambda-Hyperon und nimmt eine Schlüsselposition im Gebiet der Kernphysik mit seltsamen Teilchen ein. Die Kombination aus der überraschend kurzen Lebensdauer des Hypertritons und der in Emulsionsexperimenten bestimmten sehr geringen Lambda-Bindungsenergie begründet eines der großen Rätsel in der Hyperkernphysik: Für dieses schwach gebundene Systeme erwartet man eine Lebensdauer nahe der des freien Lambdas. In der Tat deuten neuere Analysen darauf hin, dass die systematischen Unsicherheiten in Emulsionsmessungen deutlich größer sein können, als bisher angenommen. Ziel des Forschungsprojekts ist die Bestimmung der Grundzustandsmassen leichter Hyperkerne - insbesondere des Hypertritons - mit bisher unerreichter Genaugigkeit. In der Tat stellt MAMI den einzigen Ort dar an dem diese Messung möglich ist. Das Projekt beruht auf der präzisen Pionenspektroskopie von binären Hyperkernzerfällen. Diese Methode wurde in Mainz erstmalig realisiert und soll im Rahmen des Projekts deutlich verbessert werden: (1) Zur Reduktion der systematischen Fehler wird eine präzise Bestimmung der MAMI-Energie mit Hilfe von Undulatoren durchgeführt. (2) Durch die exzellente Strahlqualität von MAMI wird eine neue Targetgeometrie und damit eine höhere Luminosität ermöglicht. Die neuartige Bestimmung der MAMI-Energie, die direkt in die Kalibrierung der Spektrometer eingeht, beruht auf der Interferenz kohärenter Strahlung zweier Undulatoren im sichtbaren Bereich. In einer ersten Studie wurde die Machbarkeit dieser neuen Methode demonstriert. Durch eine weitere Optimierung des Aufbaus kann eine relative Genauigkeit von besser als 10**-4 für eine Strahlenergie um 200 MeV erreicht werden. Darüber hinaus sollen durch weitergehende Studien die Grenzen dieser neuen Methode ausgelotet werden. Um die für die hochauflösende Pionenspektrokopie des Hypertritons notwendige Luminositätsteigerung zu erreichen, soll eine neue Targetgeometrie aus Material geringer Dichte verwendet werden. In der ersten geplanten Messung soll ein 50 mm dickes und 1 mm breites Lithium-6-Blech verwendet werden. Neben dem Nachweis des Hypertritons wird das geplante Experiment auch die Zahl von Ereignissen des bereits zuvor beobachteteten A=4 Hyperkerns welches aus 1 Proton, 2 Neutronen und 1 Lambda-Hyperon gebildet wird, deutlich steigern. Durch die höhere Genauigkeit kann das Vorzeichen der Ladungssymmetriebrechung in den angeregten Zuständen der A=4 Hyperkerne untersucht werden. Darüber hinaus wird der gleichzeitige Nachweis verschiedener Hyperfragmente zu einem besseren Verständnis des Produktionsprozesses führen. Dadurch wird es möglich, die verwendeten Modelle zu testen und verlässlichere Vorhersagen für weitere Messungen zu machen. Insbesondere können so die experimentellen Bedingungen für das Studium von Hyperkernen der p-Schale oder die Suche nach exotischen Hyperkernen optimiert werden.

• DFG Programme: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Patrick Achenbach; Dr. Werner Lauth