One Two
Sie sind hier: Startseite Forschung

Forschung

Überblick über Forschungs- und Leitungsaktivitäten 

 

Unter dem Dach der experimentellen Hadronphysik werden mehrere Forschungsgebiete vertreten. 

Die Mitwirkung am COMPASS-Experiment am CERN besteht seit 1996 und zielt vor allem auf die Klärung der Spinstruktur von Proton und Neutron. Zu diesem Ziel werden dort neben der Spektroskopie von Mesonen und Baryonen in tiefinelastischer Streuung von Muonen an Nukleonen (Protonen und Neutronen) Daten zum Spinbeitrag der einzelnen Quarkflavours und der Austauschteilchen der QCD, den Gluonen, zum festliegenden Gesamtspin gemessen und analysiert. Die Beiträge der Arbeitsgruppe zur etwa 50 m langen Messanordnung (COMPASS-Spektrometer) liegen vorwiegend im Bereich des Experiment-Triggers. Hierbei werden parallel bewährte und sehr junge Technologien (z.B. FPGA-basierte Elektronik) eingesetzt.

Der größte Teil der Forschungsarbeiten ist in der ELSA-Gesamtanlage angesiedelt, die den eigentlichen ELSA-Beschleuniger, den Bereich "Polarisiertes Nukleontarget" und die Experimentieranlagen Crystal Barrel und BGO-OD umfassen.

Diese Gebiete werden zum Teil von eigenständig forschenden und lehrenden Kollegen und Mitarbeitern bearbeitet und sind unter den jeweiligen Links weiter unten im Detail beschrieben.

Die einzelnen Bereiche werden aus unterschiedlichen Quellen finanziell gefördert, i.e.

- das COMPASS-Experiment aus Mitteln der Verbundforschung (bmbf)

- die Forschungen an der ELSA-Anlage aus Mitteln des Sonderforschungsbereichs/Transregio 16, welcher 2004 von der Arbeitsgruppe bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingeworben wurde. Hierin vertritt die AG die Teilprojekte B1 (Photoproduction of Mesons) und D2 (Beschleunigerphysik) mit.

- Der Betrieb des ELSA-Beschleunigers und der Experimente wird aus dedizierten Zuweisungen des Landes NRW (über die Grundausstattung der Universität) bestritten.

  Auf allen genannten Gebieten werden sowohl vom Arbeitsgruppenleiter als auch in den jeweiligen Projekten Bachelor-, Master- und Doktorarbeiten vergeben.

 

Hadronphysik

 Unter Hadronen versteht man massebehaftete mikroskopische Teilchen, die einer sehr starken Kraft (starke Wechselwirkung) unterliegen. Man unterscheidet Mesonen (Hadronen mit ganzzahligem Spin) und Baryonen (Hadronen mit halbzahligem Spin) mit unterschiedlichen Eigenschaften. Letztere können sich unter der Wirkung der starken Kraft zu stabilen Atomkernen auf sehr kleinem Raum formieren. So gesehen sind die Gesetzmäßigkeiten der starken Kraft zwischen Hadronen grundlegend für die Energieproduktion der Sonne und der Sterne, für die Entstehung der chemischen Elemente mit ihrer charakteristischen Häufigkeitsverteilung (Nukleosynthese) und mithin für unsere materielle Welt und uns selbst.
Die besonderen Eigenschaften der Hadronen kennzeichnen sie aber auch selbst wiederum als zusammengesetzte Objekte mit innerer Struktur. Nach heutigem Wissen sind ihre Bausteine elementare Quarks, zusammengehalten unter der Wirkung von "Klebeteilchen", den sog.  Gluonen. Die Masse der Hadronen (und somit die sichtbare Masse unseres Universums und uns selbst) sind eine Folge dieses sehr starken Zusammenhalts (das kürzlich entdeckte Higgs-Teilchen hingegen verleiht Elementarteilchen wie den Quarks und anderen ihre von Null verschiedene Masse).

Die durch Gluonen vermittelten Kräfte zwischen den Quarks werden nach heutiger Auffassung im Prinzip von einer modernen Feldtheorie, der QCD, beschrieben. Diese beschreibt zwar Stöße zwischen Quarks bei sehr hohen Energien außerordentlich gut, versagt aber bei dem Versuch, Strukturen auf der Größen- und Energieskala von Hadronen und ihren Wechselwirkungen zu berechnen; nicht einmal der unverrückbar feststehende Spin der Protonen lässt sich mit ihr zuverlässig auf die Spins der Quarks und ihrer Bahnbewegung in den Hadronen zurückführen. Um hier weiterzukommen, sind effektive Theorien und gute Daten über den inneren Aufbau von Hadronen (z.B. Orts- und Impulsverteilung der Quarks) sowie des Anregungsspektrums (Massen- und Quantenzahlen höherliegender Bindungszustände, i.e. Resonanzen) unabdingbar. Diese Aspekte werden von der Arbeitsgruppe in verschiedenen Anlagen und Experimenten untersucht.

Im COMPASS-Experiment am CERN werden sowohl die Bildung bzw. Anregung von Hadronen mit verschiedenen Strahltypen untersucht. Die AG Klein konzentriert sich auf das Studium der "partonischen" Struktur von Hadronen, d.h. der in ihrem Inneren herrschenden Verteilung von Impuls und Spin der sie bildenden Quarks. Hierzu werden sehr hochenergetische Muonen an Wasserstoff- bzw. Deuterium-Targets im kinematischen Bereich hoher Energieverluste gestreut (Deeply Inelastic Scattering, i.e. DIS) und teilweise in diesen Prozessen produzierte Hadronen nach ihrer Häufigkeitsverteilung bzgl. Impuls, Targetpolarisation etc. vermessen (Semi-Inclusive DIS, i.e. SIDIS). Die technische Möglichkeit, Strahl und Targetobjekt getrennt in ihrer Spinausrichtung einzustellen, liefert experimentellen Zugang zum Studium der Spinabhängigkeiten der inneren Wechselwirkungen. 


Die ELSA-Anlage im Physikalischen Institut der Universität Bonn wurde für die Spektroskopie von Hadronen in den 80-er Jahren gebaut und seither fortlaufend weiterentwickelt. Die Neuerung seinerzeit bestand in der Erzeugung eines zeitlich kontinuierlichen Elektronstrahles, dessen induzierte Reaktionen zeitlich so weit auseinanderliegen, dass die Zuordnung mehrerer gestoßener und erzeugter Teilchen im Endzustand zu ein und derselben physikalischen Reaktion über ihre zeitliche Koinzidenz ohne Dominanz "zufälliger Koinzidenzen" möglich ist. Von diesem Vorteil wurde  bereits im SAPHIR-Experiment ausgiebig Gebrauch gemacht, das auf den Nachweis und die Impulsanalyse geladener Teilchen mithilfe eines großvolumigen Magnetfeldes hin konzipiert war. Das Crystal-Barrel-Experiment wurde auf die Produktion und den Nachweis von Teilchen optimiert, die ganz überwiegend in Photonen zerfallen. Ein wesentliches Merkmal ist die Möglichkeit, hochgradig spinpolarisierte Hadronentargets in seinem Inneren unterzubringen und damit die Reaktionen in wohlpräparierten Konstellationen der Hadron- und Photonspins zu untersuchen. In diesem Feld hat das Crystal-Barrel-Experiment substanziell zu den Weltdaten beigetragen.

Das in Bonn entwickelte und perfektionierte  Polarisierte Nukleontarget ist hierfür ein unverzichtbarer Bestandteil. Nach erfolgter Aufpolarisation des Targetmaterials lässt sich der Polarisationszustand bei niedrigerer Temperatur, aber kleinerem Magnetfeld und dementsprechend massearmer Haltespule "einfrieren", was die Beobachtung und Vermessung der auslaufenden Teilchen bis hin zu niedriger Energie ermöglicht.

Ganz neu ist das BGO-OD-Experiment, das wie CB Photonen als Strahlteilchen verwendet, den Photonnachweis aber mit der Spur- und Impulsvermessung geladener Teilchen in einem großvolumigen Magnetfeld kombiniert. Es steht zurzeit am Beginn einer mehrjährigen Messphase.

 

 


 

Artikelaktionen