Angeregte
Zustände & Co. - Erzeugung von Resonanzen
Resonanzen sind angeregte
Zustände, die im Allgemeinen nur eine extrem kurze Lebensdauer
in der Größenordnung von 10-23
s haben. Oft bewegen
sie sich mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit. Während
ihrer Lebensdauer kommen sie daher nur einige Femtometer
voran (1 fm = 10-15 m; Größenordnung
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ihres Durchmessers). Sie hinterlassen deshalb
natürlich auch keine Spuren in Blasenkammern o.ä., sondern können
nur über die Energien und Impulse ihrer Zerfallsprodukte
identifiziert werden. (siehe dazu auch
)
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Beispiel:
Zur
Untersuchung des Aufbaus der Nukleonen
(Protonen und Neutronen) kann man sie in einen angeregten
Zustand (Resonanz) versetzen und beobachten, was beim Übergang
zurück in den Grundzustand passiert.
Die Anregung kann dabei z.B. mit hochenergetischen Elektronen
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oder Photonen
geschehen. Die Anregung mit Photonen bietet gegenüber Elektronen den
Vorteil, dass sie vom Nukleon vollständig absorbiert werden. Der Energieübertrag
ist also, nicht wie bei unelastischen Stößen durch Elektronen
nur teilweise, sondern gleich der ganzen Energie
des Photons.
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Bei ersten Experimenten
beobachtete man, dass die Nukleonen bei der Rückkehr in den Grundzustand
Pionen (p+)
abstrahlten. Aus den Energien der Pionen ließen sich aber nur wenige
Rückschlüsse ziehen, da sie aus den Zerfällen sehr vieler
Resonanzen stammten (siehe Abb. rechts für den Prozess g + p à
n + p+).
Dabei ist wichtig, dass die Unterscheidung einzelner Resonanzen in rechter
Abbildung erst nachträglich vorgenommen wurde. Obwohl einige Resonanzen
dominieren, lassen sich aufgrund der Vielzahl der "versteckten" Beiträge
nur wenige Rückschlüsse ziehen. Man erkennt, dass auch wieder
die D13(1520)-Resonanz
- neben vielen anderen Resonanzen - entsteht.
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Verbessert
wird die Situation, wenn man die Energie der Photonen erhöht. Neben
den Pionen werden dann auch auch Eta-Mesonen (h)
produziert. Aus einer Vielzahl von Pionen werden die Eta-Mesonen herausgefiltert.
Da das h
Isospin I =
0 hat, müssen Resonanzen, die in h`s
zerfallen I = 1/2 haben. Die Spektren der
h`s
lassen sich daher leichter interpretieren, weil es durch die Einschränkung
auf I = 1/2 weniger Resonanzen gibt, aus denen sie entstehen können
(siehe Abb. rechts; mögliche Resonanzen für den Prozess g + p à
p + h).
Auch hier ist wieder die D13(1520)-Resonanz
dabei.
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Die Experimente fanden
am Strahlplatz PHOENICS der Beschleunigeranlage ELSA in Bonn statt.
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Wie
kann man aus dem Wissen über das Vorkommen verschiedener Resonanzen
etwas über die Struktur der Nukleonen herausbekommen?
Wir haben
bei den angeregten Zuständen des Quecksilberatoms gesehen, dass das
Energieniveau eines Zustands mit seinen Quantenzahlen (Spin s, Isospin I etc.
) verbunden war. Unterschiedliche Quantenzahlen
führen zu unterschiedlichen Energieniveaus.
Bei Resonanzen ist dies genauso. Aus der Kenntnis der Energieniveaus (d.h.
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der Masse) der Resonanzen kann man Rückschlüsse auf die entsprechenden
Quantenzahlen ziehen. Aus den Quantenzahlen lassen sich wiederum Rückschlüsse
auf die Eigenschaften der Nukleonen ziehen, die die Grundzustände
der Resonanzen sind.
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Angeregte
Zustände (z.B. Resonanzen), ihre Energieniveaus und Übergänge
zwischen den Energieniveaus lassen Rückschlüsse auf gewisse Eigenschaften
der Grundzustände zu. Proton und Neutron sind
die Grundzustände der
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Nukleonenresonanzen.
Die Resonanz D13(1520)
hatte natürlich noch nicht direkt nach ihrer Entdeckung diese Bezeichnung,
denn in "D13"
sind bereits Informationen über
Spin, Isospin und Bahndrehimpuls enthalten:
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Der Index "13"
ist dabei als "eins-drei" zu lesen,
denn die erste Ziffer "1"
gibt den Isospin
I der Resonanz an: I = 1.1/2
= 1/2.
Man beachte, dass
alle Resonanzen in der kleinen obigen Grafik den Index "1",
also I = 1/2 haben.
An der zweiten Ziffer "3"
kann man den Spin s ablesen: s = 3.1/2
= 3/2
Das "D" bezeichnet den Bahndrehimpuls
l
= 2.
Mit
diesen Erklärungen versteht man nun auch die Bezeichnungen der anderen
Resonanzen (siehe große Abb. oben), z.B. F37(1950).
Welchen Bahndrehimpuls, Spin und Isospin besitzt dieser Zustand?
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(siehe
dazu auch
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