Messung der Röntgenübergänge in kaonischem Deuterium

Die Antikaon-Nukleon (K-N) Wechselwirkung nahe der Schwelle liefert Schlüsselinformation zum Wechselspiel zwischen spontaner und expliziter Brechung der chiralen Symmetrie der Niederenergie Quantenchromodynamic. Wir schlagen ein Experiment zur Bestimmung der durch die Starke Wechselwirkung induzierten Verschiebung und Verbreiterung des 1s Grundzustandes von kaonischem Deuterium vor ("SIDDHARTA-2") das eine Genauigkeit von 70 eV respektive 170 eV erzielen soll. Zusammen mit den Ergebnissen für Verschiebung und Verbreiterung des 1s Zustandes von kaonischem Wasserstoff die das SIDDHARTA Experiment geliefert hat, wird es erstmals möglich sein die beiden Streulängen für Isospin I=0 und I=1 zu bestimmen. Basierend auf einer ersten Messung von kaonischem Deuterium mit SIDDHARTA wurde die Experimentiertechnik verbessert und eine neue Apparatur entwickelt, um das Signal zu Untergrund Verhältnis der K-d Röntgenstrahlung entscheidend zu verbessen. Mit detaillierten Monte Carlo Studien wurden die Untergrund- Unterdrückungsfaktoren des neuen Setups optimiert und die Machbarkeit der Bestimmung von Verschiebung und Verbreiterung des K-d Grundzustandes gezeigt. Obwohl die Wichtigkeit der Röntgenspektroskopie von kaonischem Deuterium bekannt ist, liegen keine Ergebnisse für Verschiebung und Verbreiterung vor. Die Messung der Röntgenübergänge von kaonischem Deuterium stellt eine der wichtigste physikalische Fragestellung auf dem Gebiet der Niederenergie Antikaon-Nukleon Wechselwirkung dar. SIDDHARTA-2 ist das einzige Experiment zu kaonischem Deuterium: keine anderen experimentellen Gruppen haben gegenwärtig die Möglichkeit solch ein Experiment durchzuführen. Die Ergebnisse von SIDDHARTA-2 werden die signifikantesten Schranken für die Theorie der Antikaon-Nukleon Wechselwirkung liefern und damit einen entscheidenden Durchbruch auf diesem Gebiet.

Die Physik stark wechselwirkender Teilchen - Hadronen - beschäftigt sich mit Themen, welche enorme Auswirkungen auf das Verständnis grundlegender Fragen der Physik, wie des Zustandekommens der Masse des sichtbaren Universums oder der Zusammensetzung exotischer Objekte, z.B. Neutronensterne, haben.Um einen Einblick in die Wirkungsweise der starken Wechselwirkung zu erlangen sind exotische Atome die perfekte Ausgangslage. Beispielsweise können die Niederenergie- Observablen der starken Wechselwirkung zwischen negativem Antikaon (K-) und Proton mit sehr hoher Präzession mittels Röntgenspektroskopie des antikaonischen Wasserstoffatoms bestimmt werden. Im kaonischen Wasserstoffatom wird das Elektron durch das viel schwerere, negativ geladene Kaon ersetzt. Aufgrund der starken Wechselwirkung wird der 1s Grundzustand des K-p Atoms verschoben und verbreitert. Diese beiden Observablen (Verschiebung und Verbreiterung des 1s Zustandes) können mit antikaonischen Streulängen in Verbindung gebracht werden und ermöglichen so die Bestimmung dieser Streulänge bei verschwindend kleinen Energien (nahe der Schwelle).Eine Herausforderung an Experimenten mit antikaonischen Atomen ist die Detektion des Signals trotz sehr hoher Hintergrundstrahlung. Großflächige Detektoren mit exzellenter Energie- und Zeitauflösung, als auch sehr dünnwandigen (~0.1mm) Targetzellen, welche bei tiefen Temperaturen (30 K) und einem Gasdruck von ~ 0.3 MPa arbeiten, mussten daher entwickelt werden.Die K-p Reaktion ist aufgrund kürzlich erfolgter Experimente in Japan (Beschleunigeranlage KEK) und Italien (Beschleunigeranlage DA?NE) und theoretischer Berechnungen (die die Ergebnisse dieser Experimente verwenden) gut verstanden, aber es fehlt noch ein wichtiges Experiment: die Messung der Röntgenübergänge zum 1s Grundzustand von antikaonischen Deuteriumatomen. Diese Messung soll die noch fehlende, wichtige experimentelle Information liefern, die zur Beschreibung der Niederenergie Antikaon-Kern Wechselwirkung notwendig ist. Auf Grund dieser Arbeit wurde die Machbarkeit der Messung des antikaonischen Deuterium Röntgenspektrums in Japan (J-PARC) und Italien (DA?NE) mittels detaillierter Monte Carlo Simulationen nachgewiesen. Eine erste Testmessung an J-PARC bestätigte die Ergebnisse der Monte Carlo Studie.Die erwarteten Resultate werden zusammen mit den gemessenen Daten der antikaonischen Wasserstoff Experimente an DA?NE die noch fehlenden Informationen zur Antikaon-Kern Wechselwirkung liefern, was einen Durchbruch in diesem Gebiet verspricht.