Eta-mesonen trotseren standaard schalingsmodel
Natuurkundigen verenigd in het Europese samenwerkingsverband TAPS, waarvan het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI[1]) Groningen deel uitmaakt, hebben een experiment uitgevoerd waarin de productie van eta-mesonen in botsingen tussen zware ionen is gemeten. Uit de experimentele gegevens blijkt dat de hoeveelheid geproduceerde eta-mesonen minstens een factor 20 lager is dan verwacht op grond van het gangbare model. Deze verrassende waarneming kan gevolgen hebben voor het begrip van gedrag van samengedrukte en verwarmde kernmaterie in sterren. De resultaten van het experiment zijn gepubliceerd in de Physical Review Letters van maandag 23 augustus 1999.
Kennis van de eigenschappen van kernmaterie bij extreme temperatuur en druk is belangrijk voor het begrijpen van allerlei astrofysische fenomenen, zoals de structuur van neutronensterren. De eigenschappen van deze materie kunnen in een laboratorium alleen worden achterhaald door reacties tussen zware ionen te bestuderen.
Een van de doelen hierbij is het beschrijven van het gedrag van kernmaterie in termen van macroscopische grootheden als dichtheid, temperatuur en druk. Omdat de interesse uitgaat naar de bulkeigenschappen van kernmaterie, moet bij het bestuderen van zware-ionenreacties gekeken worden naar meetbare grootheden die informatie geven over collectief gedrag van de kernmaterie in de botsingsreactie.
Een van deze grootheden is de productie van deeltjes 'beneden de drempel'. Hiermee wordt aangegeven dat de energie die elk afzonderlijk nucleon (proton of neutron) in een projectielkern heeft, niet voldoende is om het deeltje in een vrije nucleon-nucleonbotsing te kunnen produceren.
Voor de deeltjesproductie in zware-ionenreacties zijn zogenaamde schalingsmodellen ontwikkeld. In het standaard schalingsmodel wordt de hoeveelheid geproduceerde deeltjes voorspeld op basis van de verhouding tussen de beschikbare energie per nucleon en de drempelenergie voor het geproduceerde deeltje. De drempelenergie is de benodigde energie om dat deeltje in een vrije nucleon-nucleonbotsing te produceren.
Experiment in Darmstadt
Om het standaard schalingsmodel te testen, is in botsingen van argonkernen op goudkernen onder meer de productie van eta-mesonen gemeten. Hierbij werden de argonkernen versneld tot 180 MeV[2] per nucleon. Voor eta-mesonen is de drempelenergie 1255 MeV, veel meer dus dan de energie van de inkomende nucleonen. Daarom wordt er van 'productie ver beneden de drempel' gesproken.
Het experiment werd uitgevoerd bij de zware-ionenversneller SIS[3] in Darmstadt (Duitsland). Deze synchrotronversneller kan zware ionen versnellen tot energieën tussen 100 MeV en 2000 MeV per nucleon.
Eta-mesonen zijn instabiele deeltjes die kunnen vervallen in twee hoog-energetische fotonen. Door deze twee fotonen te meten is het mogelijk het eta-meson van andere deeltjes te onderscheiden en te reconstrueren met welke hoek en welke snelheid het werd uitgezonden.
Voor de detectie van de fotonen is gebruik gemaakt van een detector die is gebouwd en wordt geëxploiteerd door het internationale samenwerkingsverband TAPS[4], waarin naast het KVI instituten deelnemen uit Duitsland, Frankrijk, Polen, Tsjechië en Spanje.
Verrassend resultaat
In totaal werden er in het acht dagen durende experiment, na achtergrondcorrecties, slechts zo'n 9 eta-mesonen waargenomen. Dat was een verrassing. Op basis van het standaard schalingsmodel dat uitgaat van de benodigde drempelenergie, waren maar liefst 20 keer zo veel eta-mesonen verwacht. Het standaard schalingsmodel, dat wel goed werkt voor de deeltjesproductie 'boven en iets beneden de drempel', blijkt dus niet bruikbaar voor het voorspellen van de productie 'ver beneden de drempel'. Deze conclusie hadden de onderzoekers niet voorzien.
Met dit experimentele resultaat zijn bovendien state-of-the-art computermodellen getest die het collectieve gedrag van kernmaterie simuleren. Op basis van gegevens als de toegepaste energieën en type kernen, geven zij een volledige beschrijving van het verloop van de zware-ionenreactie.
Deze modellen bleken echter evenmin in staat om alle eigenschappen van de geproduceerde eta-mesonen te reproduceren. Dit betekent dat de theoretische modellen die zware-ionenreacties beschrijven nog verbeterd moeten worden. Bovengenoemde experimentele resultaten leveren hiervoor een belangrijke bijdrage.
Voor verdere informatie kunt u contact opnemen met:
dr. Reint W. Ostendorf, KVI Groningen, telefoon (050) 363 25 72, e-mail ostendorf@kvi.nl.
De penvoerder van het beschreven experiment is dr. G. Martìnez, SUBATECH, Ecole des Mines, BP 20722, 44307 Nantes Cedex 3, France, e-mail martinez@subatech.in2p3.fr.
_________________________
[1] Het KVI is een gezamenlijk instituut van de Rijksuniversiteit Groningen en de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
[2] De eenheid MeV duidt de energie aan die een eenheidslading krijgt als die wordt versneld over een potentiaalverschil van 1 MV, ofwel 106 V.
[3] Schwerionen Synchotron.
[4] Two-Arm Photon Spectrometer.