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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
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  zum Literaturverzeichnis; [SP3 1986, S. 169] )  

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 
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.


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 D
13 (1520) -Resonanz - neben vielen anderen Resonanzen - entsteht. 
Massenspektrum erzeugter Resonanzen, die alle u.a. in Pionen zerfallen

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 D
13 (1520) -Resonanz dabei. 
Massenspektrum der Resonanzen, die auch in Eta's zerfallen können, d.h. Isospin I = 1/2 haben

Die Experimente fanden am Strahlplatz PHOENICS der Beschleunigeranlage ELSA in Bonn statt. 

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.  zur Übersichtsseite der Quantenzahlen ) verbunden war. Unterschiedliche Quantenzahlen führen zu unterschiedlichen Energieniveaus. Bei Resonanzen ist dies genauso. Aus der Kenntnis der Energieniveaus (d.h. 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. 

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 Nukleonenresonanzen. 
Die Resonanz D 13 (1520) hatte natürlich noch nicht direkt nach ihrer Entdeckung diese Bezeichnung, denn in " D 13 " sind bereits Informationen über Spin, Isospin und Bahndrehimpuls enthalten:

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. F 37 (1950) . Welchen Bahndrehimpuls, Spin und Isospin besitzt dieser Zustand? 
(siehe dazu auch  zum Literaturverzeichnis; [LOH 1992, S. 43]

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