MREX: Mainz Radius Experiment
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die nukleare Zustandsgleichung (EoS) verbindet grundlegende Eigenschaften der Kernmaterie wie Energie, Temperatur, Druck, Dichte und Isospin miteinander. Obwohl Atomkerne 18 Größenordnungen kleiner sind als Neutronensterne, unterliegen sie den gleichen physikalischen Gesetzen, die in der EoS verankert sind. Ein besonders wichtiger Parameter der EoS ist die Symmetrieenergie, die Änderungen der Energie pro Nukleon aufgrund von Modifikationen der Neutron-Proton-Asymmetrie quantifiziert. Ihre Dichteabhängigkeit bestimmt sowohl den Radius von Neutronensternen als auch die Neutronenhautdicke schwerer Kerne, die als Differenz der Neutron- und Proton-rms-Radien des Kerns definiert ist. Eine genaue Bestimmung dieser Größen wird wichtige Informationen über die bisher kaum bekannte Symmetrieenergie von neutronenreichen Systemen liefern. Schwere Kerne wie ²⁰⁸Pb erlauben die Untersuchung neutronenreicher Materie im Labor. Hier ermöglichen paritätsverletzende Elektronen-Streuexperimente (PVES) die am wenigsten modellabhängige Bestimmung der Neutronenhautdicke (NSkin). Aus der gemessenen paritätsverletzenden Asymmetrie Aₚᵥ wird der schwache Formfaktor bei einem einzigen Impulsübertrag bestimmt. Da der Formfaktor die Fourier-Transformierte der Dichteverteilung ist, die durch die Parameter Radius und Oberflächendicke charakterisiert ist, müssen einige Annahmen bezüglich der Oberflächendicke getroffen werden, um die Neutronenhautdicke zuverlässig zu extrahieren. Ein zusätzliches PVES-Experiment, das durch angepasste Kinematik sensitiver auf die Oberflächendicke ist, würde die vorherrschende Modellabhängigkeit zur NSkin-Extraktion beseitigen. Darüber hinaus kann der Beitrag von Prozessen höherer Ordnung, wie z. B. dem Zwei-Photonen-Austausch, in PVES-Experimenten die gleiche Größenordnung haben wie die paritätsverletzende Asymmetrie Aₚᵥ. Daher ist eine genaue Kenntnis dieses Beitrags unerlässlich, um die systematischen Unsicherheiten zu bestimmen. Experimentellen Zugang zum Imaginärteil der Zwei-Photonen-Austauschamplitude erhält man durch dedizierte Messungen der transversalen Asymmetrie Aₙ, die durch die Interferenz der Ein- und Zwei-Photonen-Austauschamplituden ²⁰⁸Pb entsteht. Die Messung einer mit Null verträglichen Transversal-Asymmetrie in ²⁰⁸Pb durch die PREX/CREX-Kollaboration steht in auffälligem Widerspruch zu den theoretischen Vorhersagen. Da falsche Asymmetrien wesentlich zur systematischen Unsicherheit bei der Bestimmung der Neutronenhautdicke in PVES-Experimenten beitragen können, sind weitere Untersuchungen der transversalen Asymmetrie von ²⁰⁸Pb von größter Bedeutung. Die Durchführung solcher hochpräzisen Messungen bei A1@MAMI erforderte die Entwicklung und Implementierung eines neuartigen FPGA-basierten Datenerfassungssystems. Dieses experimentelle Programm trägt wesentlich dazu bei, die präziseste modellunabhängige Bestimmung der Neutronenhautdicke durchzuführen, und liefert damit wichtige Randbedingungen für die Dichteabhängigkeit der Symmetrieenergie.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Systematic studies of beam-normal single spin asymmetries at MAMI. Proceedings of 25th International Symposium on Spin Physics — PoS(SPIN2023), 177. Sissa Medialab.
Thiel, Michaela; Esser, Anselm; Hoek, Matthias; Merkel, Harald; Müller, Ulrich; Schlimme, Sören & Sfienti, Concettina
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A novel FPGA-based data acquisition for high-precision asymmetry measurements at low rates in electron scattering. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1072, 170187.
Esser, A.; Del Vincio, A.; Doria, L.; Hoek, M.; Keil, F.; Kozyrev, N.; Merkel, H.; Mihovilovič, M.; Müller, U.; Pochodzalla, J.; Schlimme, B.S.; Shao, T.; Stengel, S.; Thiel, M. & Sfienti, C.
