Präzisionsmessung der Lambda-Separationsenergie von Lambda-vier-H am Mainzer Mikrotron

Untersuchungen von Hyperkernen dienen unserem Verständnis der starken Wechselwirkung. Indem sie die Auswirkungen von Hyperonen — Baryonen, die Strangeness enthalten — auf die Kernstruktur einschließen, sind sie komplementär zu Studien gewöhnlicher Kernmaterie. Von fundamentaler Bedeutung ist die Kenntnis ihrer Masse. Diese kann seit 2012 mit bislang unerreichter Präzision am Mainzer Mikrotron, MAMI, durch die Pion–Zerfallsspektroskopie für Λ–Hyperkerne gemessen werden. Daraus kann direkt die Λ–Separationsenergie abgeleitet werden, die aufgewendet werden muss, um das Λ–Hyperon aus dem Kernverbund zu lösen. Angetrieben von dieser Entwicklung steht das System der beiden Spiegelhyperkerne 4ΛH und 4ΛHe im Fokus derzeitiger Forschungen. Dieses kann Aufschluss über die bis heute nur unvollständig verstandene Ladungssymmetriebrechung in der ΛN–Wechselwirkung geben. Die notwendige Genauigkeit in der Messung der Λ–Separationsenergie von 4ΛH kann in absehbarer Zukunft jedoch nur an MAMI erreicht werden. Dort können Λ–Hyperkerne in der (e,e’K+)–Reaktion erzeugt werden. Mit Hilfe eines auf die Messung der Kaonen spezialisierten Spektrometers lassen sich die seltenen Reaktionen, aus denen die Hyperkerne hervorgehen, markieren. Die hochauflösenden Magnetspektrometer der A1–Kollaboration werden genutzt, um die in Koinzidenz auftretenden negativen Pionen aus Zweikörperzerfällen der Hyperkerne spektroskopisch zu erfassen. Der monochromatische Impuls der Pionen trägt dabei die vollständige Information über die Λ–Separationsenergie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein einmonatiges Experiment an MAMI durchgeführt. In diesem erfolgten präzise Messungen von Hyperwasserstoff durch die Pion–Zerfallsspektroskopie. Der Nachweis der Zerfallspionen wurde erstmals mit zwei unabhängigen Spektrometern erbracht. Dies ermöglichte eine Vertiefung der systematischen Studien über mögliche Verzerrungen des Messergebnisses. Um durch eine neue Kalibrierung die absolute Genauigkeit zu steigern, wurde das Experiment mit einer zweitägigen Messung der elastischen Elektronenstreuung kombiniert. Durch eine verbesserte Überwachung der Magnetfeldstärke der Spektrometer konnte ein 40 keV–Beitrag zum systematischen Fehler um eine Größenordnung reduziert werden. Ein neu entwickeltes, automatisiertes Kalibrationsverfahren der Detektorsysteme führte zu einer um einen Faktor zwei verbesserten Zeitauflösung. Dadurch wurde die Reaktionsauswahl verbessert und zufälliger Untergrund um die Hälfte unterdrückt. In dieser Arbeit wurde die Λ–Separationsenergie von 4ΛH zu SΛ = 2, 157 ± 0, 005 (stat.) ± 0, 077 (syst.)MeV bestimmt. Dieser Wert ist mit dem Ergebnis des Vorgängerexperiments von 2012 konsistent. Die hochauflösende Pion–Zerfallsspektroskopie konnte durch die systematischen Studien als neue Präzisionsmessmethode etabliert werden.Studies of hypernuclei serve our understanding of the strong interaction. By including effects of hyperons — baryons that contain strangeness — on the nuclear structure, they are complementary to studies of ordinary nuclear matter. For this the knowledge of the hypernuclear mass is of fundamental importance. Since 2012 it can be measured with unprecedented precision at the Mainz Mikrotron, MAMI, by the pion decay spectroscopy of Λ hypernuclei. The method allows to extract the Λ separation energy, which is the energy required to remove the Λ hyperon from the remaining nucleus. Driven by this development, the system of the two mirror hypernuclei 4ΛH and 4ΛHe is in the focus of present research. This system can provied information on charge symmetry breaking in the ΛN interaction, which lacks a complete understanding until today. The required accuracy in the measurement of the Λ separation energy of 4ΛHhowever, may only be achieved at MAMI in the foreseeable future. Strangeness can be produced by the (e,e’K+) reaction at MAMI. By using a spectrometer, specialized for the measurement of kaons, the rare reactions, from which hypernuclei emerge, can be marked. The high–resolution magnetic spectrometers of the A1 collaboration are then used to measure the negative pions from two–body decays of hypernuclei that occur in coincidence. The monochromatic momentum of the pions yields the complete information about the Λ separation energy. In the current work, a one–month experiment at MAMI was carried out, in which precise measurements of the mass of hyperhydrogen were performed by means of the pion–decay spectroscopy. The detection of the decay–pions was accomplished with two independent spectrometers for the first time. This allowed deeper systematic studies of a possible bias of the measurement. The experiment was combined with a two–day measurement of elastic electron scattering for calibrations to increase the absolute accuracy of the measurement. By means of an improved monitoring of the magnetic field strength of the spectrometers a contribution of 40 keV to the systematic error was reduced by one order of magnitude. A newly developed, automated calibration method for the detector systems led to an improvement in the time resolution by a factor of two. Thus, the reaction identification has been improved and random background could be suppressed by half. In this work the Λ separation energy of 4ΛH has been determined to be SΛ = 2, 157 ± 0, 005 (stat.) ± 0, 077 (syst.)MeV This value is consistent with the result of the preceding experiment of 2012. Through the systematic studies the high–resolution pion decay spectroscopy was established as new precision measurement technique