Urknall oder Neutronenstern ?Experimente mit exotischer Kernmaterie an FAIR

1. Bausteine der (Kern)-Materie: Quarks und Gluonen, die Elementarteilchen der Starken Kraft

2. Rätsel der Starken Kraft: Die Gefangenschaft der Quarks Der Ursprung der Masse

3. Exotische Kernmaterie im Kosmos

4. Experimente mit heißer und dichter Kernmaterie im Labor Erzeugung exotischer Materie: Erhitzen oder Verdichten? Diagnostische Sonden: Wie untersucht man einen Zustand, der nur 10-23 s andauert? Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment an FAIR

Peter Senger, GSI, Wissenschaft für Alle, 13.10.2004

SIS 100 Tm

SIS 300 Tm

U: 35 AGeV

p: 90 GeV

Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR)

Wichtig für CBM

Atom: 10-10 m

Atomkern: 10-14 m

Nukleon: 10-15 m

Quark: <10-18 m

updownstrange

charm

bottomtopDie Quarks

Quarks sind punktförmig !Größe der Kugel verdeutlicht Massen

Quark up down strange charm bottom top

Masse(MeV/c2)

5 10 150 1200 4200 170000

Ladung e 2/3 -1/3 -1/3 2/3 -1/3 2/3

anti- up

anti-down

anti-strange

anti-charm

anti-bottomanti-topDie Anti-Quarks

Gleiche Masse wie Quarks, entgegengesetzte Ladung.Trifft ein Quark auf ein gleichartiges Antiquark, zerstrahlt das Paar in Energie.

Der Aufbau der Baryonen (3 Quarks)

u d

u

Proton (p)938 MeV/c2

u d

d

Neutron (n)939 MeV/c2

+ ···

u d

s

Lambda (Λ0)1115 MeV/c2

u u

u

Delta ++ (Δ++)1232 MeV/c2

+ ···u u

s

Sigma+ (Σ+)1189 MeV/c2

d d

s

Sigma- (Σ-)1197 MeV/c2

u s

s

Xi0 (Ξ0)1315 MeV/c2

d s

s

Xi- (Ξ-)1321 MeV/c2

+ ···s

s

s

Omega- (Ω-)1672 MeV/c2

+ ···c

du

Lambdac (Λc)2285 MeV/c2

Der Aufbau der Baryonen (3 Quarks)

Anti-Baryonen (3 Anti-Quarks)Antiproton 938 MeV/c2

u d

u

u d

d

Antineutron 939 MeV/c2

+ ···

Es gibt keine Baryonen mit Quarks und Antiquarks

aber es gibt Mesonen: Quark-Antiquark Paare

ud

du

Leichte Mesonen (Quark-Antiquark Paare)

Pionen: π- 140 MeV/c2

uu

π+ 140 MeV/c2

π0 135 MeV/c2

us s

u

Kaonen: K- 494 MeV/c2

K+ 494 MeV/c2

sd

K0 498 MeV/c2

+ ···

ss

Schwere Mesonen (Quark-Antiquark Paare) J/ψ 3097 MeV/c2

cc

φ 1020 MeV/c2

+ ···

+ ···cu

D0

1864 MeV/c2

cd

cd

D+

1869 MeV/c2 D-

1869 MeV/c2

Die Erzeugung von Mesonen

uds

n

p

udd s

u

K+

ddun

udu

udu

udu

n

p

udd

su K+

su

p

K

ddu n

udu

n

p

udd u

u

ddun

udu

pudd

p

p

udu d

u

udup

udu

n

Aus Energie entsteht Materie und Antimaterie !

Was hält die Quarks in Hadronen(Baryonen und Mesonen) zusammen?

Gluonen: Vermittler der starken attraktiven Kraft zwischen Quarks/Antiquarks

Physik Nobelpreis 2004 für die Pioniere der Theorie der Starken Kraft: "Quanten-Chromo-Dynamik"

David Politzer

David Gross,

Frank Wilczek

Gluonen wirken wie Gummibänder zwischen den Quarks, d.h :bei kleinen Abständen bewegen sich die Quarks frei, bei großen Abständen wird die attraktive Kraft unendlich groß.

Quarks und Gluonen haben eine Eigenschaft genannt "Farbe", beobachtbar sind aber nur farblose Teilchen, die aus Quarks und Gluonen zusammengesetzt sind.

Die Kraft zwischen den Nukleonen ("Kernkraft")

Anziehung der Nukleonenwird vermittelt durch "Rand-Effekte" der Starken Kräfte im Nukleon

Rätsel der Starken Kraft: "Confinement (Einschluss)"

Die experimentelle Befreiung der Quarks: Erzeugung eines Plasmas aus Quarks und Gluonen

Proton : u, u, d Quark

u Quark Masse 5 MeV/c2

u Quark Masse 5 MeV/c2

d Quark Masse 10 MeV/c2

Summe (u+u+d) 20 MeV/c2

Protonenmasse = 938 MeV/c2

99.9% der bekannten Masse des Universums besteht aus Baryonen

Rätsel der Starken Kraft: der Ursprung der Masse

Beiträge zur Masse eines Hadrons:

1. Gluonen

2. Bewegungsenergie der Quarks und Gluonen (E = mc2)

3. Wechselwirkung der Quarks mit dem Vakuum, das aus virtuellen Quark-Antiquark Paaren besteht

Idee: die Masse der Quarks verschwindet wieder, wenn man das Vakuum verdrängt, indem man die Quarks (bzw. die Hadronen) in dichte Kernmaterie einbringt. Experimente mit: Pionen, Kaonen, Rho-Mesonen, zukünftig: D-mesonen

Erzeugung exotischer Kernmaterie im Labor: Erhitzen oder Verdichten ?

Baryonen Hadronen Partonen

Kompression + Erhitzen = Quark-Gluon Plasma (Pionen-Erzeugung)

Neutronensterne Frühes Universum

Erforschung der Eigenschaften heißer und dichter Kernmaterie

CERN-SPS, RHIC, LHC: hohe Temperatur, niedrige BaryonendichteFAIR SIS300: Moderate Temperatur, hohe Baryonendichte

time

tem

pera

ture

15 billion years

1 billion years

300.000 years

3 minutes

1 thousandthof a second

3 K

20 K

3.000 K

109 K

1012 K

distance

Die Evolution des Universums

Die Ursuppe der ersten Millisekunde:Quarks, Antiquarks,Elektronen, Positronen Gluonen, Photonen

Wo sind die Antiteilchen geblieben?

Geburt und Tod der Sterne

M 8M

Roter Riese Weißer Zwerg

8M M 15M Supernova II1.4M Mcore 2M Neutronenstern

M 15M

Supernova IIaM 2M Schwarzes Loch

Zwiebelschalen-struktur vor der Explosion

Supernova 1987 in der Großen Magellanschen Wolke

Der Krebsnebel ...

Im Jahre 1054 beobachteten chinesische Astronomen

einen "Gaststern”: Hell wie der Vollmond (1 Monat)

… und sein pulsierendes Herz:1968/69: Entdeckung einer pulsierenden Strahlungsquelle (Gammastrahlung - Radiowellen), Pulsfrequenz f= 30 Hz.

glühender Rest einer Supernova: ca. 7000 Lichtjahre von der Erde entfernt, Durchmesser ca. 10 Lichtjahre, expandiert mit ca. 1000 Km/s.

Pulsare: Junge NeutronensterneRotierender Strahlungskegel (Leuchtturm-Prinzip) besteht ausSynchrotronstrahlung (Gammastrahlung – Radiowellen)

Rotationsfrequenz f = 0.25 - 1000 Hz

Radius des Sterns ca. 10 kmMasse ca. 1.5 Sonnenmassen

3-10 fache Atomkern-DichteMagnetfeld 5·1012 Gauss

Anzahl: ca. 1000 entdeckt, ca 100 Mio in unserer Galaxis vermutet

Modelle von Neutronensternen

Entstehen überwiegend seltsame Teilchen in hochdichter Kernmaterie ?Verändern sich die Eigenschaften von Hadronen in dichter Materie ?Wie inkompressibel ist Kernmaterie?Lösen sich bei hohen Dichten die Hadronen in Quarks und Gluonen auf ?

AtomkernRadius R = A1/3 · 1.2·10-15 m. Für A = 200 R 6 fm Volumen V = 4/3 π R3 = 4/3 π 1.23 A fm3

Nukleonendichte 0 = A/V = 3/ (4 π 1.23) fm-3

0.14 Nukleonen/fm3

Masse des Nukleons m = 1.67 10-24 g Massendichte von Kernmaterie 0 m 270 Mio t/cm3

NeutronensternRadius R 10 km, Volumen V 4200 km3

Masse M 1.4 Sonnenmassen = 1.4 2 1033 g

Mittlere Dichte = M/V 700 Mio t/cm3 2.6 fache AtomkerndichteDichte im Zentrum 5 – 10 fache Atomkerndichte

Die Dichte von Kernmaterie

Die Erzeugung hoher Baryonendichten im Labor:hochenergetische Stöße zwischen Atomkernen

SIS300

SIS18 SIS100/

300

Erzeugung von Mesonen in Kollisionen zwischen Gold-Kernen

Diagnostische Sonden

pn

++

K

e+

e-

p

Der Blick in den Feuerball mit durchdringenden Sonden

Untersuchung kurzlebiger Mesonen, die noch im Feuerball in ein Elektron-Positron Paar zerfallen. Aus den gemessenen Impulsen der Teilchen läßt sich die Masse des Mesons im Feuerball rekonstruieren.

Signaturen des Quark-Gluon Plasmas ?Ideen:

Erhöhte Ausbeute an seltsamen Teilchen (d.h. Teilchen, die ein strange Quark enthalten)

Zerstörung von Charm-Anticharm Paaren (J/ψ Mesonen)

Anzahl und Impuls der D-Mesonen (charm quark und u oder d)

Perturbative Vacuum

cc

Color Screening

cc

Die Trennung von Charm-Anticharm Paaren (J/ψ Mesonen) im Quark-Gluon Plasma

Die charmante Herausforderung: Messung von D-Mesonen und J/ψ Mesonen

Experimentelle Probleme: Ein D-Meson in 100.000 Au+Au StößenRiesiger UntergrundMessung des Sekundärvertex mit einerGenauigkeit von 50μm

cd Bisher wurden in Schwerionenstößen

noch keine D-Mesonen nachgewiesen

cc

Messung: J/ψ e+e-Ein J/ψ Meson in 1 Mio Stößen

Experimentelle Herausforderungen

Bis zu 10 Millionen solcher Stöße pro Sekunde

Gleichzeitige Messung und Identifizierung von Hadronen und Elektronen

Bestimmung der Spuren (vor allem der Vertex) aller Teilchen mit einer Genauigkeit von 50 Mikrometer

Im zentralen Stoß zweier Goldkerne bei einer Energie von 25 AGeVentstehen u.a. folgende Teilchen: 160 Protonen236 Neutronen 300 negativ geladene Pionen

250 positiv geladene Pionen300 neutrale Pionen40 positiv geladene Kaonen40 neutrale Kaonen 15 negativ geladene Kaonen........

Einzigartige experimentelle Anforderungen an:

Zählratenfestigkeit der Detektoren (bis zu 100 kHz/cm2)

Strahlungshärte der Detektoren und Elektronik (50 MRad)

Vertexauflösung der Tracking Station (30 μm)

Zeitauflösung der Stoppwand (80 ps über 140 m2)

Rekonstruktion von 700 Trajektorien (Impulsauflösung < 1%)

Qualität der Elektronen Identifizierung (Pionenanteil <1/10000)

Geschwindigkeit der Datenaufnahme (1 Gbyte/s speichern)

Das CBM Experiment

Strahlungsharte Silizium Pixel/Streifen Detektoren im Magnetfeld Elektronen-Detektoren: RICH1& TRD & ECAL: Pionen-Unterdrückung bis zu 105

Hadronen Identifizierung: RPC, RICH2 Messung von Photonen, neutralen Pionen, etc: elektromagn. Calorimeter (ECAL) Hochgeschwindigkeits Datenaufnahme und Trigger System

Die Messung der Teilchenspuren im Magnetfeld mit Silizium Pixel und Streifen Detektoren

Design Ziele: • sehr dünne Detektoren d < 200 μm • Ortsauflösung < 20 μm• Hohe Strahlendosis: 1015 neq/cm2)• schnelle Auslese

Silizium Tracking System (4 Mio Kanäle):

3 Ebenen Pixeldetektoren (Pixelgröße 40x40 μm2): im Abstand von 5, 10 und 20 cm hinter Target.Detektorgrößen 5x5 cm2, 10x10cm2, 20x20cm2.

4 Ebenen Streifendetektoren (Streifengröße 25 μm x 2-6 cm):Detektorgröße 40x40cm2, 60x60 cm2, 80x80 cm2, 100x100 cm2

Cherenkov-Effekt:

Bewegt sich ein geladenes Teilchen durch ein Medium schneller als Licht, emittiert es Cherenkov-Strahlung: v > c/n (n ist Brechungsindex des Mediums)

Emission einer kohärenten Wellenfront: cosθ = 1/(βn)

Messung der Teilchengeschwindigkeit über Cherenkov-Licht

Bestimmung der Teilchen-Geschwindigkeit durch Messungvon θ (Ringradius des Lichtkegels)

Ring abbildende Cherenkov-Detektoren (RICH)

cosθ = 1/(βn)

ÜbergangsstrahlungsdetektorenTransition Radiation Detectors (TRD)

Prinzip:

ALICE -TRD: 1000 Teilchen/(s cm2)

CBM -TRD: bis zu 100000 Teilchen/(s cm2), Gesamtfläche der TRD-Kammern 500 m2

500.000 Kanäle

Elektronen erzeugen Übergangsstrahlung, Pionen nicht

Das Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment

CBM Kollaboration : 39 Institute aus 14 LändernCroatia: RBI, Zagreb

Cyprus: Nikosia Univ.  Czech Republic:Czech Acad. Science, RezTechn. Univ. Prague France: IReS Strasbourg

Germany: Univ. Heidelberg, Phys. Inst.Univ. HD, Kirchhoff Inst. Univ. FrankfurtUniv. Mannheim Univ. MarburgUniv. MünsterFZ RossendorfGSI Darmstadt

   

Russia:CKBM, St. PetersburgIHEP ProtvinoINR TroitzkITEP MoscowKRI, St. PetersburgKurchatov Inst., MoscowLHE, JINR DubnaLPP, JINR DubnaLIT, JINR DubnaObninsk State Univ.PNPI GatchinaSINP, Moscow State Univ. St. Petersburg Polytec. U.

Spain: Santiago de Compostela Univ.  Ukraine: Shevshenko Univ. , KievUniv. of Kharkov

Hungaria:KFKI BudapestEötvös Univ. Budapest

Korea:Korea Univ. SeoulPusan National Univ.

Norway:Univ. Bergen

Poland:Krakow Univ.Warsaw Univ.Silesia Univ. Katowice Portugal: LIP CoimbraRomania: NIPNE Bucharest

CBM F&E ArbeitsgruppenFeasibility studies Simulations

D Kπ(π)GSI Darmstadt, Czech Acad. Sci., RezTechn. Univ. Prague

,ω, e+e-Univ. KrakowJINR-LHE Dubna

J/ψ e+e-INR MoscowGSI

π, K, p ID Heidelberg Univ,Warsaw Univ.Kiev Univ. NIPNE BucharestINR Moscow

FrameworkGSI

TrackingKIP Univ. HeidelbergUniv. MannheimJINR-LHE DubnaJINR-LIT Dubna

Design & constructionof detectors

Silicon PixelIReS StrasbourgFrankfurt Univ.,GSI Darmstadt,RBI Zagreb,Univ. Krakow

Silicon Strip Moscow State UnivCKBM St. PetersburgKRI St. PetersburgUniv. ObninskRPC-TOFLIP Coimbra, Univ. Santiago Univ. Heidelberg,GSI Darmstadt,Warsaw Univ.NIPNE BucharestINR MoscowFZ RossendorfIHEP ProtvinoITEP MoscowRBI ZagrebUniv. Marburg

Fast TRDJINR-LHE, DubnaGSI Darmstadt,Univ. MünsterNIPNE Bucharest

Straw tubesJINR-LPP, DubnaFZ RossendorfFZ JülichTech. Univ. WarsawECAL ITEP Moscow GSI DarmstadtUniv. Krakow

RICH IHEP Protvino GSI Darmstadt

KIP Univ. HeidelbergUniv. MannheimGSI DarmstadtJINR-LIT, DubnaUniv. BergenKFKI BudapestSilesia Univ. KatowiceUniv. Warsaw

MagnetJINR-LHE, DubnaGSI Darmstadt

FEE,Trigger,DAQ

J/ψ μ+μ-PNPi St. PetersburgSPU St. Petersburg

Λ, Ξ,Ω PNPi St. PetersburgSPU St. Petersburg

Ring finder JINR-LIT, Dubna