Das WASA-Experiment
An dem Beschleunigerexperiment WASA-at-COSY werden Studien zur Erzeugung und zum Zerfall von leichten Mesonen durchgeführt, vor allem von Pionen und η-Mesonen. Dazu wird der Beschleunigerstrahl (bestehend aus Protonen oder Deuteronen) mit einem Pellettarget (H2 oder D2) zur Kollision gebracht. Die dabei entstehenden Teilchen bzw. deren Zerfallsprodukte werden dann in den entsprechenden Detektoren nachgewiesen. WASA wurde ursprünglich für den CELSIUS-Beschleuniger im schwedischen Uppsala gebaut. Nach dessen Schließung wurde der Detektor nach verschiedenen Anpassungen 2006 am COSY-Beschleuniger im Forschungszentrum Jülich wieder aufgebaut um Experimente mit deutlich höheren Beschleunigerenergien durchzuführen.
Bei den Streuexperimenten treffen Teilchen aus dem Beschleunigerstrahl mit hohen Energien im GeV-Bereich auf Targetteilchen. Bei diesen Kollisionen können die gesuchten Mesonen erzeugt werden. Außerdem bewegen sich auch die Strahl- und Targetteilchen weiter, fusionieren zu größeren Kernen oder brechen auseinander. Für die Analyse der Messdaten müssen all diese Teilchen in Detektoren gemessen und rekonstruiert werden.
Der Vorwärtsdetektor dient der Erfassung aller Teilchen mit großen Vorwärtsimpulsen. Dies sind vor allem die Strahl- und Targetteilchen sowie deren Bruchstücke und Fusionsprodukte. Dabei handelt es sich in der Regel um Protonen, Deuteronen und Heliumkerne. Der Vorwärtsdetektor ist aus mehreren unterschiedlichen spezialisierten Detektorlagen aufgebaut.
Der Zentraldetektor umgibt den Interaktionspunkt, also den Punkt, in dem der Beschleunigerstrahl mit dem Target kollidiert und die gesuchten Mesonen erzeugt werden. Er dient insbesondere zur Erfassung der Zerfallsprodukte dieser Mesonen. Dies sind hauptsächlich Photonen, Elektronen, Positronen und geladene Pionen. Wie der Vorwärtsdetektor ist auch der Zentraldetektor aus mehreren Lagen aufgebaut. Er enthält zudem den supraleitenden Solenoiden, einen Magneten, dessen Feld die geladenen Teilchen ablenkt, sodass über die Krümmung der Flugbahn deren Impuls bestimmt werden kann.
Das verwendete Pellettarget-System wurde gezielt für die Anforderungen des WASA-Experiments entwickelt. Im Gegensatz zu den verbreiteteren Clustertargets besteht der Pelletstrahl aus aneinandergereihten Tröpfchen, z. B. aus gefrorenem Wasserstoff oder Deuterium, mit einem Durchmesser von ca. 25µm. Der Vorteil eines solchen Targets ist die hohe Targetdichte sowie ein sehr gut lokalisierter Wechselwirkungsbereich mit dem Beschleunigerstrahl. Außerdem kann aufgrund der geringen Streuung der Teilchen die Durchführung durch den Detektor sehr schmal gehalten werden, wodurch Akzeptanzlücken verringert werden und an WASA nahezu eine 4π-Akzeptanz für Teilchen erreicht wird.
Nebenstehende Animation zeigt das Target im Betrieb. Oben links ist der Pelletstrahl zwischen Düse und Vakuuminjektion zu sehen. Die Höhe des Bildausschnitts beträgt hier ca. 1 cm. Oben rechts ist eine Ausschnittsvergrößerung unter Stroboskoplicht gezeigt. Hier sind die einzelnen Pellets sichtbar. Die beiden unteren Bilder zeigen den Pelletstrahl oberhalb des Skimmers, der einen schmalen Teil des Strahls herausschneidet.
In dieser Arbeitsgruppe wurden verschiedene an WASA-at-COSY durchgeführte Messungen analysiert. Ein Schwerpunkt war der Zerfall η → π0 + e+ + e–. Dieser Zerfall ist aufgrund von Erhaltungssätzen im Standardmodell stark unterdrückt. Eine Beobachtung des Zerfalls wäre damit ein Hinweis auf eine Verletzung dieser Erhaltungssätze oder auf Physik jenseits des Standardmodells.
Neben seltenen Zerfällen des η-Mesons ist auch die Produktion von leichten Mesonen in Proton-Deuteron-Fusionen ein interessantes Forschungsgebiet. Unsere Arbeitsgruppe untersuchte die Produktion von η-Mesonen und Pionen. Dabei wurden unter anderem aktuelle Themen wie Meson-Nukleon- bzw. Meson-Kern-Wechselwirkungen oder das vor Kurzem beobachtete Dibaryon d*(2380) diskutiert.
Weitere Informationen finden Sie auf der offiziellen Internetseite des WASA-at-COSY-Experiments.
