Design and construction of a scintillating fibre tracker for measuring hard exclusive reactions at HERMES [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Matthias Hoek

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• Publié par: justus-liebig-universitat_giessen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 16
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

DesignandConstructionofa
ScintillatingFibreTracker
formeasuring
HardExclusiveReactionsat
HERMES
Inaugural Dissertation
zurErlangungdesDoktorgradesderNaturwissenschaften
derJustus Liebig Universit at¨ Gießen
Fachbereich07
(MathematikundInformatik,Physik,Geographie)
vorgelegtvon
MatthiasHoek
ausGießen
II.PhysikalischesInstitutderJustus Liebig Universit at¨ Gießen
Juli2006Dekan: Prof. Dr. V.Metag
1. Berichterstatter: Prof. Dr. M.Duren¨
2. Prof. Dr. A.Muller¨Kenntnissekannjedermannhaben–aberdieKunstzudenken,
istdasseltensteGeschenkderNatur.
FriedrichderGroße
Fur¨
Kurt J ur¨ genHoek
undPaulMaternZusammenfassung
ImRahmendieserArbeitwirddiePlanungundderBaueinesSpurrekonstruktions
detektors aus szintillierenden Fasern (SFT) fur¨ den HERMES Recoil Detektor
beschrieben. Dies umfaßt die Festlegung der Entwurfsziele, Entwicklung von
Herstellungverfahren, Auswahl der Detektorbestandteile sowie die Durchfuhrung¨
und Auswertung von Komponententests. Abschließend wird eine Einfuhrung¨ in
den Generalised Parton Distribution Formalismus (GPD) zur Beschreibung der
nicht perturbativen Nukleonstruktur gegeben. Dieser Formalismus kann auch auf
Atomkerne angewendet werden und zu neuen Einsichten in die Kernstruktur und
partonische Freiheitsgrade im Kern fuhren.¨ Anschließend wird die Analyse tief
virtuellerCompton StreuereignisseanverschiedenenKernenbeschrieben.
Das HERMES Experiment befindet sich am DESY in Hamburg. Dabei wird
derElektronenstrahldesHERA BeschleunigersmiteinerEnergievon 27GeVver-
wendetumtief inelastischeStreuereignisseanverschiedenengasf ormigen¨ Targets
zuuntersuchen. DasHERMES ExperimentbietetdabeidieeinzigartigeM oglich ¨
keit, verschieden Gastargets einzusetzen. Zusatzlich¨ bietet der HERA Beschleu
niger einen longitudinal polarisierten Elektronenstrahl. Der HERA Beschleuniger
bietet ebenfalls die Moglichk¨ eit, einen Positronenstrahl zu erzeugen, der Einfach
heithalberwirdindieserArbeitabernurvonElektronengesprochen.
Den idealen Zugang zu den GPDs bietet die tief virtuelle Compton Streuung
(DVCS). Da das HERMES Spektrometer in seinem urspr unglichen¨ Aufbau das
ruckgestreute¨ Nukleon nicht nachweisen kann, wurden bisher indirekte Metho
den angewendet, um DVCS Ereignisse zu separieren. Allerdings lassen sich mit
diesen indirekten Methoden nicht alle Untergrundbeitrage¨ eliminieren, insbeson
dere nicht der Beitrag von Δ Resonanzen. Um die Untergrundunterdr uckung¨ zu
verbessern und den gesamten Endzustand exklusiver Reaktionen nachweisen zu
konnen,¨ wurdeder HERMES Recoil Detektorgeplant.
DerSFT,alseinerderHauptkomponentendesRecoil Detektors,dientderIm
pulsbestimmung fur¨ geladene Teilchen im Impulsbereich von 250 – 1400MeV/c.
Außerdem tragt¨ er zur Teilchenidentifikation (PID) von Protonen und geladenen
Pionen bei. Bei der Planung des SFT wurde besonderes Augenmerk auf eine
geringe Massenbelegung gelegt, um die Ungenauigkeit der Impulsbestimmung
durch Mehrfachstreuung der Teilchen zu minimieren. Dies fuhrte¨ zu einer selb
sttragenden Konstruktion, wobei besondere Klebstoffe eingesetzt werden mussen,¨
dieeinerseitsdieszintillierendenFasernnichtangreifenundandererseitsausreich
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end Stabilitat¨ bieten. Die optische Auslese der Fasern erfolgt mit Sekundar¨ Elek
tronen Vervielfachern (SEV), die außerhalb des magnetischen Felds des Recoil
Detektormagneten positioniert werden mussen.¨ Das Szintillationslicht wird mit
Hilfe 4m langer Lichtleiter vom SFT zu den SEVs transportiert. Hierfur¨ wurde
eineSteckerverbindungmithohemTransmissionsgradentwickelt. Außerdemmuß
die optische Auslese eine Messung der deponierten Energie im SFT erlauben, um
eine Teilchenidentifikation zu ermoglichen.¨ Um die Eigenschaften des gewahlten¨
SFT Designs zu uberpr¨ ufen,¨ wurde ein Testexperiment an der GSI in Darmstadt
durchgefuhrt.¨ Hierbei wurden vier SFT Prototypmodule in einem Sekund arstrahl¨
mit variablen Teilchenimpuls getestet. Der Sekundarstrahl¨ bestand hauptsachlich¨
aus geladenen Pionen und Protonen und wurde im Impulsbereich von 300MeV/c
bis 900MeV/c variiert. Zielsetzung des Testexperiments war die Bestimmung
der Nachweiseffizienz der Prototypmodule fur¨ geladene Pionen und Protonen, der
EnergieverlustverteilungdieserTeilchenindenFasernsowiePID undSpurrekon
struktionsfahigk¨ eiten. Die Auswertung des Testexperiments ergab, dass alle Ent
wurfskriterien mit dem gewahlten¨ Design erreicht werden konnten. Die modulare
Bauweise des SFT wurde zunachst¨ mit Ersatzfasern ausprobiert, um die Mach
barkeit zu studieren. Nach erfolgreichem Test, wurde der endgultige¨ SFT zusam
mengesetzt und in einem weiteren Testexperiment am DESY Hamburg wurde die
exaktePositionierungdereinzelnenFasernimSFTbestimmt,wobeilediglichAb
weichungenvon150μmbeobachtetwurden. DieseErgebnissebestatigen¨ diehohe
Prazision,¨ diemitdenentwickeltenKonstruktionsmethodenerreichtwerdenkonn
te. Abschließend wurde der SFT in den Recoil Detektoraufbau eingesetzt, wobei
ein speziell entwickeltes Werkzeug benutzt wurde, um die korrekte Ausrichtung
¨ ¨des SFT zu gewahrleisten und Beschadigungen an allen Detektorkomponenten zu
vermeiden.
Im letzten Teil dieser Arbeit wird der GPD Formalismus zur Beschreibung
exklusiverStreuprozesseeingefuhrt¨ undkinematischeVariablen,diezurBeschrei
bung dieser Prozesse notwendig sind. Die GPDs erlauben eine Beschreibung der
nicht perturbativen Nukleonenstruktur und beinhalten Formfaktoren und Parton
verteilungsfunktionen (PDF), die auch in inklusiven Streureaktionen zuganglich¨
sind. Allerdings enthalten die GPDs zusatzliche¨ Informationen uber¨ die Nukleo
nenstrukturundsoistz.B.derZugangzuInformationenuber¨ denBahndrehimpuls
von Quarks im Nukleon moglich.¨ Der DVCS Prozess, bei dem ein virtuelles Pho
ton von einem Quark absorbiert und ein reelles Photon erzeugt wird, spielt eine
besondere Rolle bei der Messung von GPDs, da er den theoretisch einfachsten
Zugang bietet. Andere exklusive Prozesse, wie z.B. exklusive Mesonproduktion,
enthalten weitere nicht perturbative Elemente, deren Eigenschaften nicht bekannt
sind und ebenfalls bestimmt werden mußten.¨ Allerdings ist der Endzustand des
DVCS Prozesses nicht unterscheidbar vom Bethe Heitler Prozeß (BH), bei dem
das gestreute Elektron durch Bremsstrahlungsprozesse ein reelles Photon erzeugt.
Die Ununterscheidbarkeit fuhrt¨ zu quantenmechanischen Interferenzeffekten, die
ihrerseits Zugang zu der Amplitude des DVCS Prozesses bieten. Bei der Mes
sungmiteinemlongitudinalpolarisiertenStrahlzeigtsicheineAsymmetrieinder7
azimuthalen Verteilung des Winkels zwischen der Streuebene des Elektrons und
der Produktionsebene des reellen Photons. Die Große¨ der Asymmetrie ist unter
anderemdurchdieGPDsgegeben.
Der GPD Formalismus kann auch auf Atomkerne ubertragen¨ werden und zu
neuenEinsichtenindieKernstrukturundpartonischeFreiheitsgradeimKernfuhren.¨
AllerdingsmussbeiderAnalysevonDVCS Ereignissenzwischenkoh arenten¨ und
inkoharenten¨ Prozessen unterschieden werden. Bei koharenten¨ Prozessen findet
die DVCS Reaktion am gesamten Kern statt und der Kern bleibt intakt, w ahrend¨
beim inkoharenten¨ Prozeß die DVCS Reaktion an einem einzelnen Nukleon stat
tfindet und der Kern aufgebrochen wird. Im Falle von koharenten¨ Prozessen gibt
estheoretischeModellrechnungen,dieeinegroßere¨ AsymmetrieimVergleichzum
Proton vorhersagen. Da nicht der gesamte Endzustand im HERMES Spektro
meter nachgewiesen werden kann, mussen¨ indirekte Methoden benutzt werden,
¨um die Exklusivitat des Ereignisses sicherzustellen. Allerdings kann hierbei nicht
zweifelsfrei zwischen koharenten¨ und inkoharenten¨ Beitragen¨ unterschieden wer-
den. Einzig eine Beschrankung¨ des Impulsubertrags¨ auf den Kern ermoglicht¨ eine
Anreicherung koharenter¨ Prozesse, wobei ein nicht zu vernachlassigender¨ Anteil
inkoharenter¨ Prozessebleibt.
Zunachst¨ werden aus den vorhandenen Daten verschiedener Targets — H, D,
He,N,Ne,KrundXe—exklusiveDVCS Prozesseherausgefiltert. Dieangewen
deten Bedingungen werden detailliert beschrieben und verschiedene Extraktions
methoden fur¨ die Asymmetrie verglichen. Zusatzlich¨ werden systematische Feh
lerquellen mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen untersucht und ihr Einfluß
auf die Asymmetrie abgeschatzt.¨ Die Asymmetrie wird dann im Hinblick auf
¨den Impulsubertrag auf den Kern untersucht. Die vorhandene Datenmenge er-
laubt allerdings nur eine grobe Unterteilung. Im Falle hauptsachlich¨ koharenter¨
Prozesse — dies entspricht einem kleinen Impulsubertrag¨ — kann zum ersten
Mal eine systematische Vergroßerung¨ des Asymmetrie fur¨ schwere Kerne (Ne, Kr
und Xe) festgestellt werden, die allerdings aufgrund der begrenzten Datenmenge
nicht signifikant ist. Fur¨ großere¨ Impulsubertr¨ age,¨ bei denen der inkoharente¨ An
teil uberwie¨ gt, kann eine solche Veranderung¨ hingegen nicht festgestellt werden.
EindirekterVergleich