PANDA-Forschungsprogramm

 

Auf dieser Seite werden die Beschleunigeranlage und das Forschungsprogramm des PANDA-Experiments vorgestellt. Details zu den hier genannten Begriffen finden sich z.T. im Abschnitt Physikalische Grundlagen.

Grundlagen des Experimentbetriebs an FAIR

Die sich auf dem Gelände der GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) im Bau befindliche Forschungsanlage FAIR (Facility for Antiporoton and Ion Research) wird umfangreiche Einrichtungen für die Erzeugung, Speicherung und Beschleunigung von Antiprotonen aufweisen und verschiedene Experimente beheimaten. Neben dem PANDA-Detektor sind dies CBM, APPA und NUSTAR mit Projekten u.a. im Bereich der Atom-, Plasma- und Astrophysik.

Die Beschleunigeranlage

Das folgende Bild (Quelle: GSI) zeigt den Aufbau der FAIR-Anlage mit den bereits existierenden Einrichtungen (blau: Beschleuniger der GSI), den zukünftigen Komponenten (rot: FAIR-Beschleuniger) und die Lage der verschiendenen neuen Experimente.

 

FAIR: Produktion von Antiprotonen, über verschiedene (Vor-)Beschleuniger auf einen Impuls von 3,7 GeV/c

  • Im Speicherring HESR: "Lagerung" der Antiprotonen bis zur Kollision, Be- bzw. Entschleunigung, Strahlkühlung (Fokussierung)
  • PANDA an HESR: Antiproton-Proton-Kollisionen  -> Teilchenproduktion
  • Reaktionsrate: 20 Millionen pro Sekunde
  • Vorteil zu e+e-Experimenten: alle Quantenzahlen sind zugänglich, so dass mehr Teilchensorten direkt produzier werden können
  • Impulsbereich 1,5 bis 15 GeV/c, entspricht einer Schwerpunktenergien bis zu 5,5 GeV/c2

---In Bearbeitung ---

Forschungsschwerpunkte

Hadronenspektroskopie

Umfasst die Suche nach neuen, mitunter exotischen Teilchen und die präzise Vermessung der bekannten und neuen Hadronen. Die genaue Kenntnis dieser Größen - wie Masse, Lebensdauer, Zerfallsarten und Zerfallsraten - ist Voraussetzung für das Verständnis der fundamentalen Wechselwirkungen und erlaubt die Bestätigung, Modifizierung oder Widerlegung der dazu gehörigen theoretischen Modelle.

  • Ein Fokus liegt auf dem Studium von leichten Hadronen, die aus Kombinationen der drei leichtesten Quarks (up, down, strange) bestehen.
  • Ebenso zugänglich und Ziel umfangreicher, präziser Studien sind charm-Quarks enthaltende Mesonen: open-Charm (charm + up/down/strange) und Charmonia (charm-anticharm); letztere sind einerseits als eigenes Forschungsgebiet von Interesse, und dienen gleichzeitig auch als Quelle für die Produktion von open-Charm Mesonen. Die Vorhersagen des Standardmodells stimmen sehr gut mit den Parametern der bekannten Mitgliedern des jeweiligen Mesonenspektrums überein. In den letzten Jahren wurden jedoch eine Reihe von Charmonium-artigen Resonanzen entdeckt, deren genaue Natur nicht geklärt ist.  Im Falle der open-charm Mesonen weichen die gemessenen Parameter in einigen Fällen stärker von den Voraussagen ab. Desweiteren sind auch noch nicht alle vorhergesagten Mesonen entdeckt worden, und nicht alle Eigenschaften der bislang entdeckten Teilchen konnten mit der benötigten Präzision vermessen werden. Im Laufe des PANDA-Experiments wird ein großer Charmonia-Datensatz zur Verfügung stehen und in Verbindung mit Energiescans z.B. eine sehr präzise Bestimmung von Massen und Lebensdauern dieser charm-haltigen Teilchen ermöglichen.
  • Neben den Mesonen ist auch die Spektroskopie von Baryonen von großem Interesse für die Bestätigung bzw. Modifizierung der theoretischen Modelle. Der Fokus bei PANDA wird auf Baryonen mit strange- und charm-Quarks liegen (qqs, qss, sss, qqc).
  • Bislang gibt es Hinweise auf die Existenz der vorausgesagten exotischen Teilchen, aber noch keine eindeutige Bestätigung. Unterschieden werden Hybridmesonen mit einem Quark-Antiquark-Paar und einem Gluon als Bausteine, und die rein aus Gluonen aufgebauten Gluebälle (gg, ggg).

 

Struktur des Nukleons

  • Die vereinfachte Darstellung, in der ein Nukleon wie z.B. das Proton nur aus den Konstituentenquarks besteht, weicht in der Realität einem weitaus komplexeren Bild. Die Messung von Formfaktoren erlaubt die Bestimmung der inneren Struktur von Nukleonen.

Details...---In Bearbeitung ---

Hyperkerne

  • In "normaler" Materie enthalten die Kernbausteine nur up- und down-Quarks. In der Hyperkern-Forschung werden strange- oder charmhaltige Nukleonen im Atomkern erzeugt und die resultierenden Kerneigenschaften untersucht und verglichen.

Details... ---In Bearbeitung ---

Hadronen in Materie

  • (z.B. ladungs-abhängige Abweichungen der Hadronenmasse, im Vergleich zu Hadronen im Vakuum)

 Details...---In Bearbeitung ---