The ABC effect in double-pionic fusion to deuterium [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Olena Khakimova

Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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TheABCEffectinDouble PionicFusion
toDeuterium
Dissertation
zurErlangungdesGradeseinesDoktors
derNaturwissenschaften
derFakultätfürMathematikundPhysik
derEberhard Karls UniversitätTübingen
vorgelegtvon
OlenaKhakimova
ausNovokuznezk
2009TagdermündlichenPrüfung:17.April2009
Dekan:Prof.Dr. W.Knapp
1.Berichterstatter:Prof.Dr.HeinzClement
2.Prof.Dr.GerhardWagnerKurzfassung
DerABC Effektwirdbeider2 π ProduktioninNukleon NukleonoderNukleon
Kern Stößen beobachtet, wenn eine Fusion des Projektils mit Targetnukleonen
auftritt. Als ABC Effekt bezeichnet man eine Überhöhung des differentiellen
Wirkungsquerschnitts bei kleinen invarianten ππ Massen. Er wurde zuerst
in inklusiven Messungen der doppelt pionischen Fusion von Deuterium und
3Wasserstoff zu He entdeckt. Später wurde er auch in inklusiven Messungen
derReaktionnp→dππ miteinemNeutronen Strahlbeobachtet.
0 0In dieser Arbeit werden erste exklusive Messungen der Reaktionpd → pdπ π
durchgeführtundzwarbeiStrahlenergienvonT =1.03und1.35GeVamCEL p
SIUS Speicherring in Uppsala/Schweden. Der WASA Detektor kann geladene
undneutraleTeilchenimnahezugesamten4π Raumwinkelbereichnachweisen.
DeuteronenwurdenimForwardDetectorgemessen,währenddie4Photonen,die
0ausdemZerfallvon2π entstanden,imCentralDetectornachgewiesenwurden.
Die gewählten Strahlenergien sind sehr nahe am Maximum des totalen
+ −Wirkungsquerschnittes der Reaktion pn → dπ π , der bei den vorherigen
inklusiven Messungen erhalten wurde. Deswegen sind sie optimal für die
0 0Untersuchung des ABC Effektes geeignet. Die Reaktion pn → dπ π wurde
0 0als quasifreie Reaktion pd → p dπ π mit einem Spektator Proton p sehrspec spec
kleiner Energie gemessen. Weil alle Teilchen außer dem Spektator Proton
gemessenwurden,konnteseinImpulsmitHilfeeinesdreifachüberbestimmten
kinematischen Fits rekonstruiert werden. Mithin konnte die Fermi Bewegung
im Deuteron Target genutzt werden, um bei gegebener Strahlenergie einen
BereichRelativenergienimpn Systemzuüberdecken.
0 0Derπ π KanalistreinisoskalarundfreivonIsovektor Beiträgen.Erzeigteine
große Überhöhung im M 0 0 Spektrum an der ππ Schwelle, die viel größer istπ π
als in vorherigen inklusiven Messungen beobachtet und mit ΔΔ Rechnungen
vorhergesagt wurde. Im Gegensatz zu letzteren wie auch zu den inklusiv
gemessenen Daten wurde eine Überhöhung bei hohen invarianten Massen
M 0 0 nicht beobachtet und inzwischen als 3π und η Meson Produktion inter-π π
pretiert.
Da die verfügbaren ΔΔ Modelle die exklusiv gemessenen Daten nicht
beschreiben können, wird hier eine andere mögliche Erklärung vorgestellt.
Die Überhöhung bei niedrigen invarianten Massen steht in einem engen
Zusammenhang mit der beobachteten resonanzartigen Struktur des totalen
Wirkungsquerschnittes. Die exklusiv gemessenen Daten können beschrieben
werden, wenn man eine Resonanz im isoskalaren pn System annimmt, die
überwiegendübereinisoskalaresΔΔ Systemzerfällt.
Mit diesem so genannten s Kanal Resonanz Ansatz erhält man eine sehr gute
Beschreibung des totalen Wirkungsquerschnitts sowie der differentialen Spek
tren.MasseundBreitedieserisoskalarendibaryonischenResonanzergebensich
2zuM ≈2.36GeV/c undΓ ≈80MeV.DieseverblüffendenResultatewurdenR R
bereitsinPhys.Rev.Lett.102,052301(2009)publiziert.Abstract
TheABCeffectisobservedinthe2π productioninnucleon nucleonornucleon
nucleuscollisions,iffusionoftheprojectilewiththetargetnucleonsoccurs.The
ABCeffectisalow massenhancementinthe ππinvariantmassspectrum.Itwas
first discovered in the inclusively measured double pionic fusion of deuterons
3andprotonsto He.Lateronithasalsobeenobservedininclusivemeasurements
ofthereactionnp→dππ withaneutronbeam.
0 0In this work the first exclusive measurements of the reactionpd→ pdπ π have
beencarriedoutatbeamenergiesofT =1.03and1.35GeVatCELSIUSstoragep
ring in Uppsala/Sweden. The WASA detector with almost full 4π solid angle
coverage allows to detect charged and neutral particles. Deuterons were mea
0suredintheForwardDetector,whereasthe4photons,whichoriginatedfrom2π
decay,detectedintheCentralDetector.
The selected energies are close to the maximum cross section of the reaction
+ −pn → dπ π observed in the previous inclusive measurements. Therefore they
0 0are optimal for the study of the ABC effect. The reactionpn → dπ π has been
0 0measured as quasifreepd → p dπ π reaction with a spectator protonp ofspec spec
very small momentum. Since all particles except of the proton have
beenmeasured,thespectator4 momentumcouldbereconstructedbykinemat
icalfitswith3overconstraints.HenceonecouldexploittheFermimotionofthe
target neutron to cover a range of relative energies in thepn system for a given
beamenergy.
0 0The π π channel, which is purely isoscalar and free of any isovector contri
butions, shows a large low mass enhancement in the M 0 0 spectrum, which isπ π
much larger than observed in the inclusive measurements and also larger than
predictedinpreviousΔΔcalculations.Incontrasttotheseandalsototheinclu
sivedataahigh massenhancementinthe M 0 0 spectrumwasnotobservedandπ π
ismeanwhileinterpretedas3π andη mesonproduction.
Since the available ΔΔ calculations are not successful in the description of the
exclusivelymeasureddata,anotherexplanationispresentedhere.Theenhance
ment in the low invariant mass M 0 0 is strongly correlated with the observedπ π
resonance likestructurein thetotalcross section.Indeed,all exclusive datacan
bedescribed,ifoneassumesaresonanceintheisoscalarpn system,whichdom
inantlydecaysviatheisoscalarΔΔsystem.
With this so called s channel resonance ansatz a very good description of the
data in the total cross section as well as in the differential spectra has been
achieved. Mass and width of this isoscalar dibaryonic resonance areM ≈ 2.36R
2GeV/c and Γ ≈ 80 MeV, respectively. These intriguing results have alreadyR
beenpublishedinPhys.Rev.Lett.102,052301(2009).CONTENTS vii
Contents
1 Introduction:TheABCEffect 3
1.1 Experimentalsituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Theoreticalsituation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 ExperimentalSetup 9
2.1 TheTheodorSvedbergLaboratory-TSL . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 TheCELSIUSstoragering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Thepellettarget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 TheWASADetector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.1 TheCentralDetector-CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.2 TheForward-FD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 TheDataAcquisitionSystem(DAQ) . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6 TheTriggerSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 AnalysisTools 23
3.1 ThePhaseSpaceEventGenerator-GIN . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 TheWasaMonteCarloSimulation-WMC . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 W4PProgram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 ROOTTree’s/NtupleTrackFormat(NTF) . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5 ParticleIdentification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5.1 ChargedParticlesinFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5.2 NeutralinFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5.3 ChargedParticlesinCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5.4 NeutralinCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.6 EnergyreconstructionintheForwardDetector . . . . . . . . . . . 32
3.7 EnergyreconstructionintheCentral . . . . . . . . . . . . 33
3.8 Treatmentofthequasifreereactionkinematics . . . . . . . . . . . 34viii CONTENTS
4 Analysis 39
4.1 Hardwaretrigger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
0 04.2 Selectioncutsforthepn→dπ π reaction . . . . . . . . . . . . . . 40
0 04.3 π π selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4 Otherphysicalcutsfortheanalysedreaction . . . . . . . . . . . . 45
4.5 Reconstructionofthespectator proton . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.6 Thekinematicalfit-KFIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.7 EfficiencyandAcceptanceCorrections . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5 ResultsandDiscussion 55
5.1 Normalisationandtotalcrosssection . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.1.1 SummaryofErrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2 Differentialcrosssections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.2.1 Definitionandcalculationofobservables . . . . . . . . . . 59
5.2.2 Invariantmasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.2.3 Angulardistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 Fermismearinginthetotalcrosssection . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4 Theoreticalmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4.1 ConventionalΔΔcalculation . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.4.2 Isospindecompositionforππ channels . . . . . . . . . . . 73
5.4.3 Ans channelresonancemodel . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6 CELSIUS/WASAvsWASA@COSY 81
6.1 COSYRing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2 WASA@COSY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.1 DAQandsoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.2 TheNewForwardWindowCounter(FWC) . . . . . . . . 84
6.2.3 TheNewForwardVetoHodoscope(FVH) . . . . . . . . . 85
7 Summary 89
8 Outlook 91
9 Acknowledgments 93CONTENTS 1
A Acronyms 95
B Uncorrecteddifferentialcrosssections 97
B.1 Invariantmasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
B.2 Angulardistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
B.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
B.4 Energyandangledistributionsofspectatorproton . . . . . . . . . 111
C Correcteddifferentialcrosssections 113
C.1 Invariantmasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
C.2 Angulardistributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
C.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
C.4 Energyandangledistributionsofspectatorproton . . . . . . . . . 127

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