Suche nach K-pp – einem gebundenen Antikaon-Nukleon Zustand

Durch Messungen der Verschiebung und Verbreiterung der Energieniveaus in antikaonischen Atomen hat man gelernt, dass die Antikaon-Nukleon Wechselwirkung bei kleinen Abständen stark anziehend ist. Ob diese anziehende Wechselwirkung ausreicht um gebundene Antikaon-Nukleon Zustände zu erzeugen und ob diese schmal genug sind um experimentell nachgwiesen zu werden ist eine offene Frage. Theoretisch werden solche gebundenen Zustände, die man auch als Antikaon-Nukleon-Cluster bezeichnet vorausgesagt. Über die Tiefe und Breite der Zustände jedoch besteht keine Einigkeit unter den verschiedenen Schulen und nur ein dediziertes Experiment kann diese Frage verlässlich beantworten. Wir werden an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, Deutschland ein Experiment durchführen um das einfachste dieser Cluster, K - pp in einer elementaren Reaktion zu erzeugen und dessen Eigenschaften zu untersuchen. In dem Experiment wird ein Protonenstrahl von 3 GeV auf ein Flüssigwasserstoff target gelenkt und die Reaktionsprodukte mit dem FOPI Detektor untersucht. Mit der Reaktion p+p K+ + K- pp K+ + + p kann die Erzeugung von K- pp mit einer `Invariante Masse` Analyse von + p, den Zerfallsprodukten von K-pp und einer `missing mass` Analyse des K+ nachgwiesen werden. Die Messung wird mit dem für Schwerionenexperimente optimierten FOPI Detektor durchgeführ. Für die Messung mit den Protonen wird der Detektor mit einigen Elementen erweitert. Das SMI entwickelt dafür einen schnellen Startzähler, einen Veto Detektor, das flüssige Wasserstofftarget sowie einen Strahlmonitor zur Messung der Verteilung des Protonenstrahls. Das Experiment wurde vom G-PAC der GSI evaluiert und mit `category A` bewertet und es wurden 54 shifts für dessen Durchführung zuerkannt. Es ist vorgesehen das Experiment in der ersten Hälfte von 2009 durchzuführen.

Die `Seltsamkeit` ist einer der faszinierendsten Aspekte in der Physik der starken Wechselwirkung. Die Masse des Strange-Quarks ist größer als die Massen der Up- und Down-Quarks aus der die sichtbare Materie aufgebaut ist, aber ist trotzdem klein im Vergleich zur typischen Energieskala (~1 GeV) der starken Wechselwirkung. Die experimentelle Methode Strange-Quarks in hadronische Systeme einzubinden ist hervorragend geeignet den Mechanismus zur Erzeugung der Massen von Hadronen zu untersuchen. So wurden z.B. experimentelle Hinweise auf die Existenz von gebundenen `seltsamen` Systemen gefunden zwei oder auch mehrerer Baryonen, die durch ein Antikaon (negativ geladenes K-Meson) gebunden werden. Weitere Experimente sind jedoch erforderlich um deren Existenz zu bestätigen.Das Ziel dieses Projektes war es, ein System von zwei Baryonen nachzuweisen, welches durch ein Anti-Kaon gebunden ist. Dazu haben wir einerseits eine Messung mit dem FOPI Detektor an der GSI Helmholtzzentrum in Darmstadt durchgeführt sowie existierende Messdaten vom DISTO Experiment am SATURNE National Laboratory ausgewertet. Bei beiden Experimenten wurden Proton-Proton Stöße verwendet um die von der Theorie vorausgesagten gebundenen Zustände zu erzeugen. Erste Ergebnisse des Experiments wurden publiziert und belegen die ausgezeichneten Eigenschaften des FOPI Detektors zum Nachweis von Lambda-Baryonen. Weitere Analysen sind jedoch notwendig um eine abschließende Aussage über mögliche gebundene Baryonen-Zustände machen zu können. Ziel ist es, die Resultate, die mit dem DISTO Detektor erreicht wurden zu verifizieren.Eine alternative Methode wird am J-PARC verwendet, wobei hochenergetische negativ geladene Kaonen auf ein Helium-3 Target geschossen werden. Die Experimente am J-PARC wurden durch das verheerende Erdbeben im März 2011 verzögert. Erste Daten wurden aber bereits im Mai 2013 gemessen und werden derzeit analysiert.Ausgangspunkt zur Bildung gebundener Baryon-Kaon Zustände ist zufolge einiger Theorien die starke Anziehung der Antikaon-Nukleon Wechselwirkung, die zur Erzeugung der Lambda(1405) Resonanz führt. Dazu haben wir Daten vom KLOE Detektor, der mit einem Kohlenstofftarget erweitert wurde, ausgewertet. Die Messung erfolgte am Beschleunigerring DAFNE in Frascati, in der Nähe von Rom. Unsere Arbeit hat auch zur Untersuchung der Eigenschaften und der Verwendbarkeit von Silicon-Photomultipliern (multi-pixel avalanche diodes) zur Auslese von lichtführenden Szintillationsfasern geführt. Die gewonnen Erkenntnisse sollen in Zukunft auch in medizinische Anwendung einfließen.