Präzisionsmessung der Lambda-Separationsenergie von Lambda-vier-H am Mainzer Mikrotron
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Untersuchungen von Hyperkernen dienen unserem Verständnis der starken Wechselwirkung. Indem sie die Auswirkungen von Hyperonen — Baryonen, die Strangeness enthalten — auf die Kernstruktur einschließen, sind sie komplementär zu Studien gewöhnlicher Kernmaterie. Von fundamentaler Bedeutung ist die Kenntnis ihrer Masse. Diese kann seit 2012 mit bislang unerreichter Präzision am Mainzer Mikrotron, MAMI, durch die Pion–Zerfallsspektroskopie für Λ–Hyperkerne gemessen werden. Daraus kann direkt die Λ–Separationsenergie abgeleitet werden, die aufgewendet werden muss, um das Λ–Hyperon aus dem Kernverbund zu lösen.
Angetrieben von dieser Entwicklung steht das System der beiden Spiegelhyperkerne 4ΛH und 4ΛHe im Fokus derzeitiger Forschungen. Dieses kann Aufschluss über die bis heute nur unvollständig verstandene Ladungssymmetriebrechung in der ΛN–Wechselwirkung geben. Die notwendige Genauigkeit in der Messung der Λ–Separationsenergie von 4ΛH kann in absehbarer Zukunft jedoch nur an MAMI erreicht werden.
Dort können Λ–Hyperkerne in der (e,e’K+)–Reaktion erzeugt werden. Mit Hilfe eines auf die Messung der Kaonen spezialisierten Spektrometers lassen sich die seltenen Reaktionen, aus denen die Hyperkerne hervorgehen, markieren. Die hochauflösenden Magnetspektrometer der A1–Kollaboration werden genutzt, um die in Koinzidenz auftretenden negativen Pionen aus Zweikörperzerfällen der Hyperkerne spektroskopisch zu erfassen. Der monochromatische Impuls der Pionen trägt dabei die vollständige Information über die Λ–Separationsenergie.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein einmonatiges Experiment an MAMI durchgeführt. In diesem erfolgten präzise Messungen von Hyperwasserstoff durch die Pion–Zerfallsspektroskopie. Der Nachweis der Zerfallspionen wurde erstmals mit zwei unabhängigen Spektrometern erbracht. Dies ermöglichte eine Vertiefung der systematischen Studien über mögliche Verzerrungen des Messergebnisses. Um durch
eine neue Kalibrierung die absolute Genauigkeit zu steigern, wurde das Experiment mit einer zweitägigen Messung der elastischen Elektronenstreuung kombiniert. Durch eine verbesserte Überwachung der Magnetfeldstärke der Spektrometer konnte ein 40 keV–Beitrag zum systematischen Fehler um eine Größenordnung reduziert werden. Ein neu entwickeltes, automatisiertes Kalibrationsverfahren der Detektorsysteme führte zu einer um einen Faktor zwei verbesserten Zeitauflösung. Dadurch wurde die Reaktionsauswahl verbessert und zufälliger Untergrund um die Hälfte unterdrückt.
In dieser Arbeit wurde die Λ–Separationsenergie von 4ΛH zu
SΛ = 2, 157 ± 0, 005 (stat.) ± 0, 077 (syst.)MeV
bestimmt. Dieser Wert ist mit dem Ergebnis des Vorgängerexperiments von 2012 konsistent. Die hochauflösende Pion–Zerfallsspektroskopie konnte durch die systematischen Studien als neue Präzisionsmessmethode etabliert werden.