Authors:	Steinen, Marcell
Title:	Feasibility studies for the high precision X-ray spectroscopy of heavy Ξ− hyperatoms at PANDA using the PANda GErmanium Array PANGEA
Online publication date:	3-Jun-2020
Year of first publication:	2020
Language:	english
Abstract:	Mit PANDA entsteht ein Hadronenphysikexperiment an der neuen Beschleunigeranlage FAIR in Darmstadt, Deutschland. Dabei ermöglicht der gespeicherte Antiprotonenstrahl des HESR Speicherrings die Produktion hoher Raten von Hyperon-Antihyperon-Paaren mit ein- und mehrfacher Strangeness. Dies erlaubt mehrere Experimente im Strangeness-Sektor, wobei besonders die Wechselwirkung von (Anti-)Hyperonen und Kernmaterie untersucht werden kann, die ein wichtiger Baustein ist, um das “Hyperon-Puzzle” im Zentrum von Neutronensternen zu lösen. Dabei wird die hohe Modularität des PANDA-Spektrometers benutzt, welche es erlaubt einzelne Detektorkomponenten für spezifische Experimente auszutauschen. Besonders das Hyperatom-sowie das Hyperkernexperiment machen davon Gebrauch. Diese Experimente benötigen zwin-gend einen hochauflösenden γ-Detektor: PANGEA. Das PANda GErmanium Array besteht aus insgesamt 60 hochreinen Germaniumkristallen in 20 Kryostaten. Die Optimierung der Anordnung dieser Detektoren sowie deren Integration innerhalb von PANDA werden in dieser Arbeit diskutiert. Zusätzlich wird der Einfluss des hadronischen Untergrunds während der Experimente untersucht. Insbesondere schnelle Neutronen führen zu Strahlenschäden innerhalb der hochreinen Germaniumkristalle, was die hohe intrinsische Energieauflösung verringert. Dieser Einfluss wurde experimentell in zwei Bestrahlungstests am COSY Protonenbeschleuniger in Jülich, Deutschland, mit bis zu 5,6*10^9 Neutronen/cm^2 untersucht. Durch die digitale Analyse der Pulsformen konnte ein großer Anteil der Auflösungsverluste bei der Energiemessung korrigiert werden. Das thermische Ausheilen der Kristalle nach der Bestrahlung im Labor konnte die ursprüngliche Energieauflösung wiederherstellen. Trotz alledem müssen die Einflüsse der Bestrahlung bei der Studie zur Machbarkeit des Hyperatomexperiments berücksichtigt werden. PANDA wird das erste Experiment weltweit sein, das die Wechselwirkung von Ξ−-Hyperonen und vornehmlich Neutronen in der neutronendominierten Peripherie von Ξ^−-Pb-208 Hyperatomen untersuchen kann. Simulationen zeigen, dass mehrere experimentelle Observablen eine Bestimmung sowohl des Real- als auch des Imaginärteils des optischen Potentials von Ξ^−-Hyperonen mit einer Genauigkeit von ±1 MeV ermöglichen. PANDA is a new experiment in hadron physics at the upcoming FAIR facility in Darmstadt, Germany. The combination of PANDA and its antiproton beam, provided by the antiproton storage ring HESR, yields high production rates of strange hyperon-antihyperon pairs. This enables multiple experiments in strangeness nuclear physics which allow to study the interaction of hyperons and antihyperons within nuclear matter. This is essential to understand the composition of neutron star matter and solve the “hyperon puzzle”. The modularity of PANDA allows to design and integrate a dedicated setup for the high resolution X-ray and γ spectroscopy of heavy Ξ^− hyperatoms and double Λ hypernuclei. The germanium detector array PANGEA (PANda GErmanium Array) is mandatory for these experiments. Its optimization and integration into the PANDA target spectrometer is discussed in this thesis. During the experiments at PANDA, the HPGe (High Purity Germanium) crystals of PANGEA will suffer from inevitable hadronic background. Especially fast neutrons will damage the lattice structure of the crystal and deteriorate its resolution. This effect has been experimentally studied in irradiation tests at the COSY accelerator in Jülich, Germany, with up to 5.6*10^9 neutrons/cm^2. A large fraction of the performance loss of the detector could be corrected by analyzing the pulse shape of the detector response. After the irradiation, the initial crystal performance could be restored by annealing of the crystal in the laboratory. The effects of the irradiation had to be kept in mind when the feasibility of the hyperatom experiment was studied. PANDA is unique in its ability to study the Ξ^− nucleon interaction in the neutron-rich periphery of Ξ^−-Pb-208 hyperatoms. As shown in simulations, multiple experimental observables will allow to measure the real and imaginary part of the Ξ^− optical potential with a precision of ±1 MeV.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik Helmholtz Institut Mainz
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1648
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000035529
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VI, 219 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen