Authors:	Vonwirth, Philipp
Advisor:	Pochodzalla, Josef
Title:	Preparation and realization of a new hypertriton mass experiment at MAMI
Online publication date:	29-Jan-2024
Year of first publication:	2024
Language:	english
Abstract:	Hypertriton ist der einfachste gebundene Hyperkern, bestehend aus einem Proton p, einem Neutron n und einem instabilen Lambda-Baryon Λ. Bereits seit der Entdeckung in den 1950er Jahren sind Hyperkerne der Fokus einer weltweiten Reihe an Experimenten. Ihre Eigenschaften – wie Lebensdauer oder Bindungsenergie des Λ zum Restkern – geben wichtige Aufschlüsse über die zu Grunde liegende Wechselwirkung zwischen dem Λ und den anderen regulären Nukleonen. Diese erlauben beispielsweise Schlussfolgerungen für die Zusammensetzung von Neutronensternen. Seit den 1960er Jahren begannen daher die Studien, um Bindungsenergie, Lebensdauer und weitere Eigenschaften einiger Hyperkerne zu bestimmen. Durch seine vergleichsweise einfache Zusammensetzung galt bereits damals dem Hypertriton ein gesteigertes Interesse. Als Drei-Körper-System ist es besonders gut mit theoretischen Vorhersagen zu vergleichen. Bereits Mitte der 1970er Jahre war ein umfangreicher Katalog an Hyper-Isotopen vermessen worden, meist mit der damals gängigen Emulsions-Methode. So waren es erst neuartige experimentelle Ansätze, die in den folgenden Jahrzehnten neue Bewegung in die Datenlage brachten. Ab 2010 wurden erstmals Ergebnisse mittels relativistischen Schwerionen-Kollisionen erlangt. Gleich drei unabhängige Experimente lieferten neue Werte für die Hypertriton-Lebensdauer, die 30 bis 40% kürzer waren als zuvor beobachtet. Als dann erstmals im Jahre 2020 – nach fast 50 Jahren – die Λ-Bindungsenergie vom Hypertriton in einem ähnlichen Experiment bestimmt wurde, verstärkten sich die Zweifel am bisherigen Wissensstand. Zwar war diese Größe bereits zu Zeiten der Emulsion mit einer fast 40-prozentigen Unsicherheit angegeben worden, BΛ = 130 ± 50 keV, jedoch wich der neu gemessene Wert von über 400 keV um mehr als 200% ab. Diese unklare Gesamtsituation wurde als Hypertriton-Puzzle bezeichnet und lieferte zwei grundlegende Motivationen für die vorliegende Doktorarbeit: (i) Wie ist mit den einzelnen Veröffentlichungen umzugehen? Wie kann aus den verschiedenen Werten ein aussagekräftiger Mittelwert errechnet werden? (ii) Ist es möglich, die Λ-Bindungsenergie vom Hypertriton mittels einer von den anderen Experimenten unabhängigen Methode neu zu messen? In Bezug auf die erste Fragestellung wurde im Rahmen dieser Arbeit die Datenbank Chart of Hypernuclides entwickelt, um jegliche Messergebnisse der Hyperkernphysik zu sammeln und aus den verschiedenen Quellen Mittelwerte zu errechnen. In Anlehnung an die Particle Data Group, die es sich zur Aufgabe gemacht hat, Forschungsergebnisse aus der Teilchenphysik zusammenzufassen, wurden daher zahlreiche Algorithmen und Methoden implementiert, um Mittelwerte eines weiten Spektrums an Hyperkern-Daten korrekt errechen zu können. Inzwischen enthält die Datenbank mit etwa 600 Einträgen ein weitreichendes Abbild der Forschungsgeschichte rund um Hyperkerne. Für eine gute Erreichbarkeit wurde eine Website eingerichtet, auf der Nutzer mittels eines interaktiven User-Interfaces die Daten einsehen können. Auch umfangreiche Hintergrundinformationen zu den einzelnen Veröffentlichungen sind dort hinterlegt. Neben der reinen Auflistung der Daten bietet die Seite darüber hinaus Einblicke in deren statistische Aufarbeitung. So werden beispielsweise neben den berechneten Mittelwerten auch Grafiken – sogenannte Ideogramme – erzeugt, die einen quantitativen Überblick über die Datenlage liefern. Die URL der Seite lautet https://hypernuclei.kph.uni-mainz.de. Mit mehr als 50 experimentellen Werten alleine über Hypertriton konnte eine detaillierte Analyse der Lebensdauer- und Bindungsenergie-Situation durchgeführt werden. Die zweite Frage betreffend, wurde eine Messkampagne am A1-Aufbau des Mainzer Instituts für Kernphysik vorbereitet und durchgeführt, um die Hypertriton-Bindungsenergie mittels Zerfalls-Pionen-Spektroskopie bestimmen zu können. Mit dieser experimentellen Methode war bereits wenige Jahre zuvor das etwas schwerere Hyper-Isotop 4 ΛH vermessen worden. Für die neue Messung wurde ein spezielles Lithium-Target-System entworfen und getestet, um die Ausbeute an relevanten Ereignissen gegenüber den früheren Messungen zu maximieren. Für das Experiment wurde schließlich das Kaon-Spektrometer KAOS verwendet, mit welchem zuletzt 2014 Hyperkernstudien durchgeführt wurden. Die Messreihen fanden im Sommer und Herbst 2022 statt. Die Auswertung der Daten ist momentan im Gange und wird von den Doktoranden Tianhao Shao und Ryoko Kino durchgeführt. Ihnen ist bereits der Nachweis von 4ΛH gelungen. Hypertriton is the simplest known hypernucleus, consisting of a proton p, a neutron n and an unstable Lambda baryon Λ. Already since the discovery in the 1950’s hypernuclei have been the focus of a worldwide series of experiments. Their properties – such as lifetime and binding energy of the Λ to the regular nucleus – give important insights into the underlying forces acting between the Λ and the ordinary nucleons. Even conclusions about the composition of neutron star matter can be drawn. Therefore, since the 1960’s experiments began to determine the binding energy, lifetime and other properties of many hypernuclear isotopes. The hypertriton proved to be of special interest due to its relatively simple nature. As a three-body system, it compares particularly well with theoretical predictions. Already by the mid-1970’s, an extensive catalog of hyper-isotopes had been investigated, mostly with the at that time usual emulsion technique. Thus, over the following decades it were novel experimental methods that brought new movement into the hypernuclear data situation. Regarding the hypertriton, the relativistic heavy ion collision offered many new results. Since 2010, there have been the first new measurements of the hypertriton’s lifetime. Around these years, three independent facilities reported values that were 30 to 40% shorter than previously observed during the emulsion era. In 2020, the Λ binding energy of the hypertriton was then finally remeasured as well – for the first time in almost 50 years. While the best result from the emulsion era was already given with a relative error of almost 40%, BΛ = 130 ± 50 keV, the new value even intensified the confusion. With around 400 keV, it was more than 200% larger. This unclear data situation was summarized as the hypertriton puzzle and lead to two fundamental motivations for the present PhD thesis: (i) How to combine individual measurements to determine the most likely value for the lifetime and binding energy of hypernuclei? (ii) Is it possible to re-measure the Λ binding energy of the hypertriton using a method independent to the other experiments? Addressing the first question, a database called Chart of Hypernuclides has been developed to collect experimental results in hypernuclear physics and to calculate average values from the various sources. Following the Particle Data Group, which collects and summarizes research results from particle physics, numerous algorithms and methods have been implemented in order to correctly calculate average values of versatile sets of hypernuclear data. Meanwhile, with about 600 entries, the database contains a wide-ranging picture of the research history around hypernuclei. To make the database easily accessible, a website has been set up, where users can view the data by means of an interactive user interface. Extensive background information on the individual publications is also provided there. Furthermore, the site offers insights into the statistical processing of the data, so in addition to the calculated average values, generated figures – so-called ideograms – provide a quantitative overview of the data situation. The URL of the website is https://hypernuclei.kph.uni-mainz.de. With solely 50 entries about the hypertriton’s properties, a detailed analysis of the lifetime and binding energy situation was performed. Regarding the second question, a data taking campaign was prepared and performed at the A1 setup of the Mainz Institute for Nuclear Physics to determine the hypertriton binding energy via decay pion spectroscopy. This experimental method had already been applied a few years earlier to determine the binding energy of the somewhat heavier isotope 4ΛH. For the new measurement, a high luminosity lithium target system was designed and tested to maximize the yield of relevant events compared to the previous measurements. As in the hypernuclear studies in 2014, the kaon spectrometer KAOS was used for the experiment. The data taking campaigns took place in summer and autumn of 2022. The analysis of the data is currently being performed by the PhD students Tianhao Shao and Ryoko Kino. Just recently, they have already detected the 4ΛH.
DDC:	004 Informatik 004 Data processing 500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 530 Physik 530 Physics 600 Technik 600 Technology (Applied sciences)
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9899
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-60679f45-4fff-4dba-a5be-28e39936e9ba5
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xiii, 189 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
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