Präzisionsspektroskopie von kaonischem Helium-3

Wir schlagen vor, die durch die starke Wechselwirkung verursachte Energieverschiebung des Röntgenstrahlungsübergangs 3d 2p von kaonischem Helium 3 mit einer Genauigkeit von besser als 2 eV an der Beschleunigeranlage J-PARC 50-GeV PS (Japan) zu messen. Dieses Experiment wäre die erste Messung der Energieverschiebung in Helium-3 überhaupt. Zusammen mit den kürzlich veröffentlichten Messungen für kaonische Helium-4 Atome (durchgeführt von der KEK-PS E570 Kollaboration) können äußerst wichtige Erkenntnisse über die Isospin-abhängige starke Wechselwirkung zwischen Antikaonen und Kernen im Grenzfall niedrigster Energien erhalten werden. Zusätzlich liefert dieses Experiment entscheidende Daten für das Verständnis der Grundlage der Vorhersage von tiefgebundenen kaonischen Kernen. Damit kann der Charakter der "seltsamen" Multibaryonen-Kandidaten (d.h. Multibaryonen mit strangeness), über welche KEK, DAFNE und BNL berichteten, geklärt werden. Die wichtigsten Parameter des vorgeschlagenen Experiments sind nachfolgend zusammengefasst: i) Reaktion : gestoppte K- + 3 He hv(~ 6.4 keV) + X, ii) Primärstrahl: 30 GeV, 9 A Protonen, iii) Sekundärstrahl: 0.75 GeV/c K- , iv) J-PARC Strahl: K1.8BR, v) Target: Flüssiges 3 He, Röntgendetektoren: 8 100 mm Siliziumdriftdetektoren (SDD). Die abgeschätzte Strahlzeit besteht aus 10 Tagen für die Inbetriebnahme und 3.5 Tagen Messung am K1.8BR Strahl (bei voller PS Intensität) beziehungsweise 35 Tage am K1.8BR Strahl (mit 10% der Design-Luminosität, wie zu Beginn bei der Inbetriebnahme der J-PARC-Anlage erwartet wird). Der Antrag ist eng verknüpft mit einem zweiten Strahlzeitantrag an das J-PARC 50-GeV PS, "Suche nach tiefgebundenen kaonischen Kernzuständen mit der Reaktion 3 He(K- ,n) im Flug". Beide Experimente werden denselben Strahl und dasselbe 3 He Target verwenden. Aufgrund der relativen Einfachheit des Röntgenexperiments und seiner geringen Strahlzeitanforderungen glauben wir, dass es angemessen ist, das vorliegende Experiment vor dem "Im Flug"-Experiment durchzuführen. Das vorgeschlagene Experiment wird für DAY-1 bereit sein und kann schnell entscheidende physikalische Resultate liefern. Es ist daher bestens als J-PARC DAY-1 Experiment geeignet. Dieser J-PARC Experimentiervorschlag sowie der "Im Flug"-Antrag wurden bereits positiv vom J-PARC Programmkomitee evaluiert und im März 2007 angenommen.

In diesem Projekte wurde erstmals die durch die starke Wechselwirkung verursachte Verschiebung und Verbreiterung des 3d-2p Röntgenübergangs in kaonischem Helium-3 gemessen, was zusammen mit einer von derselben Gruppe durchgeführten früheren Messung in Helium-4 einen lange bestehenden Widerspruch zwischen früheren experimentellen Ergebnissen aus den Jahren 1970-1980 und theoretischen Resultaten beseitigte. Die Ergebnisse konnten das sogenannte "Kaonische Helium-Puzzle" vollständig lösen. Exotische hadronische Atome, bei denen das Elektron durch ein Teilchen, das der starken Wechselwirkung unterliegt (ein Hadron) ersetzt wird, können zur Untersuchung der starken Wechselwirkung zwischen diesen Hadronen und den Nukleonen im Atomkern benutzt werden. Die starke Wechselwirkung führt zu einer Verschiebung der Energieniveaus im Vergleich zu den durch die elektromagnetische Wechselwirkung verursachten Werte, und einer Verbreiterung der Niveaus aufgrund der Absorption des Hadrons durch die Nukleonen. Durch Messung der Übergangsenergie zwischen tiefliegenden Zuständen, die aufgrund der großen Masse des Hadrons im Röntgenbereich liegen, und Vergleich mit Berechnung nur unter Berücksichigung der elektromagnetischen Kraft, kann die Auswirkung der starken Wechselwirkung genau bestimmt werden. Dies ist von besonderem Interesse, da die Energien in einem Atom sehr viel geringer als die bei typischen Streuexperimenten erreichbaren sind. Exotische Atome liefern somit genaue Werte der starken Wechselwirkung bei fast Energie Null. Kaonen sind die leichtesten Hadronen, die ein "strange" Quark enthalten, das nächst schwerere Quark nach den "up" und "down" Quarks, aus denen die Nukleonen Proton und Neutron bestehen. Für kaonisches Helium sagen die meisten Berechnungen voraus, dass die Verschiebung und Verbreiterung der tiefliegenden Niveaus sehr klein ist. Dies stand im Gegensatz zu früheren Messungen in Helium-4. Eine neuere Rechnung ergab eine so starke anziehende Kraft zwischen Kaonen und Nukleonen, dass sogar durch die starke Wechselwirkung gebunde Systeme aus Kaon und Nukleonen vorausgesagt wurden. Diese erlaubten auch größere Verschiebungen und Verbreiterung in atomaren Niveaus von kaonischem Helium. Die neueren Resultate in Helium-4 und die Ergebnisse aus diesem Projekt in Helium-3 ergaben, dass für beide Isotope die Verbreiterung sehr klein ist im Bereich eV bei einer Übergangsenergie von ca. 6 keV. Dieses Ergebnis hat daher große Auswirkungen auf das Verständnis der Kaon-Nukleon-Wechselwirkung und wurde von der theoretischen Physik euphorisch aufgenommen.