In-medium modification of pion-pairs on deuterium [Elektronische Ressource] / von Stefan Lugert
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In-medium modification of pion-pairs on deuterium [Elektronische Ressource] / von Stefan Lugert

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In MediumModificationofPion PairsonDeuteriumvonStefanLugertausButzbach-EbersgönsDemFachbereichMathematikundInformatik,Physik,GeographieJustus Liebig UniversitätGießenzurErlangungdesakademischenGradesDr.rer.nat.vorgelegteDissertationVorsitzender: Prof.Dr.VolkerMetagBerichter: PDDr.StefanLeupoldProf.Dr.JürgenKieferTagdermündlichenPrüfung: 23.November2007Gießen,den18.Oktober2007Der Spaß fängt erst dann an, wenn man die Regeln kennt. Im Universum aber sind wirmomentannochdabei,dieSpielanleitungzulesen.(RichardP.Feynman)gedrucktvonstafadruckGmbH,35625HüttenbergZusammenfassungIn dieser Arbeit wird die quasifreie Photoproduktion von Pionenpaaren an gebundenenNukleonenentsprechendderReaktionsgleichungγ +A−→ππ(A−1)+Nfür flüssiges Deuterium analysiert. Diese Messungen ermöglichen eine vom Isospin ab hängigeBestimmungdermassendifferentiellenundtotalenWirkungsquerschnitteamDeu teron.In vorausgegangenen Experimenten der CHAOS und Crystal Ball Kollaboration wurdebereits die pioneninduzierte Produktion von Pionenpaaren gemessen. Die Verteilung derinvarianten Massen zeigte für das isoskalare ππ Mesonensystem mit größer werdenderOrdnungszahleineVerschiebungderIntensitätzurSchwellehin.ImEinklangmittheore tischen Rechnungen kann dieser Effekt als Indiz für die teilweise Wiederherstellung derChiralenSymmetriegedeutetwerden.

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Publié le 01 janvier 2008
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Langue Deutsch
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In MediumModification
ofPion PairsonDeuterium
von
StefanLugert
aus
Butzbach-Ebersgöns
Dem
FachbereichMathematikundInformatik,Physik,Geographie
Justus Liebig UniversitätGießen
zurErlangungdesakademischenGrades
Dr.rer.nat.
vorgelegteDissertationVorsitzender: Prof.Dr.VolkerMetag
Berichter: PDDr.StefanLeupold
Prof.Dr.JürgenKiefer
TagdermündlichenPrüfung: 23.November2007
Gießen,den18.Oktober2007Der Spaß fängt erst dann an, wenn man die Regeln kennt. Im Universum aber sind wir
momentannochdabei,dieSpielanleitungzulesen.(RichardP.Feynman)
gedrucktvonstafadruckGmbH,35625HüttenbergZusammenfassung
In dieser Arbeit wird die quasifreie Photoproduktion von Pionenpaaren an gebundenen
NukleonenentsprechendderReaktionsgleichung
γ +A−→ππ(A−1)+N
für flüssiges Deuterium analysiert. Diese Messungen ermöglichen eine vom Isospin ab
hängigeBestimmungdermassendifferentiellenundtotalenWirkungsquerschnitteamDeu
teron.
In vorausgegangenen Experimenten der CHAOS und Crystal Ball Kollaboration wurde
bereits die pioneninduzierte Produktion von Pionenpaaren gemessen. Die Verteilung der
invarianten Massen zeigte für das isoskalare ππ Mesonensystem mit größer werdender
OrdnungszahleineVerschiebungderIntensitätzurSchwellehin.ImEinklangmittheore
tischen Rechnungen kann dieser Effekt als Indiz für die teilweise Wiederherstellung der
ChiralenSymmetriegedeutetwerden.
DaPionenstarkwechselwirkendeTeilchensind,diemitgroßerWahrscheinlichkeitander
Oberfläche der Targetkerne absorbiert werden, untersuchen diese Experimente lediglich
die und somit kleine effektive Dichten. Photonen hingegen könnnen im ge
samten Kern Reaktionen induzieren und somit auch große effektive Dichten sondieren.
Ein Vorreiterexperiment mit einem Photonenstrahl wurde durch die TAPS Kollaboration
im Jahre1999 amMainzer Beschleuniger MAMI Bdurchgeführt. Diedortigen Messun
0 0gen ergaben für den isoskalaren π π Kanal mit größer werdender Ordnungszahl auch
± 0eine Verschiebung der Intensität zur Schwelle hin. Im π π Kanal konnte dieser Effekt
nicht beobachtet werden, dies diente als Referenz. Die Beobachtungen bestätigten die
Ergebnisse der vorausgegangenen Experimente, da Endzustandswechselwirkungen der
PionendiebeidenIsospin KanäleinersterNäherungähnlichbeeinflussen.Aufgrundder
unzureichendenstatistischenSignifikanzderDatenwardieAussagekraftdesExperiments
jedochlimitiert.
DasExperiment,welchesindieserArbeitbeschriebenwird,erzielteeinewesentlichbes
sere Statistik, die eine Überprüfung der alten Daten erlaubt. Um näherungsweise den
kompletten Raumwinkel von 4π zur Teilchenidentifikation abzudecken wurde in diesem
Experiment der TAPS Detektor als Vorwärtswand in Verbindung mit dem Crystal Ball
DetektoranMAMIverwendet.DerExperimentaufbaustarteteEnde2003.DieneueAus
leseelektronikfürdieBaF DetektorenkamhierzumerstenMalzumEinsatz.Zwischen2
Juni 2004 und April 2005 wurden Messungen an unterschiedlichen Targets vorgenom
men,unteranderemauchdielD Daten,welcheindieserArbeitanaysiertwurden.2
Die von Ralf Gregor vorgenommene Analyse der neuen Daten bestätigt die zuvor ge
0 0messenen und veröffentlichten Daten. Die Verschiebung der invarianten π π Massen
zur Schwelle hin ist jedoch weniger stark ausgeprägt als in den publizierten Daten be
schrieben.NebenderAnalysederFestkörpertargets(C,CaundPb),dievonRalfGregor
durchgeführt wurde, ist die Analyse von Deuterium aus den folgenden beiden Gründen
ein entscheidender Beitrag, um die ablaufenden Prozesse zu verstehen. Zum Einen kann
Iman die Festkörpertargets und Wasserstoff mit dem leichtesten Kern, dessen Nukleonen
Fermi Bewegung aufweisen und der zugleich das geringste Kernvolumen hat, dem Deu
teriumvergleichen.WeiterhinngibtesderzeitkeinemassendifferentiellenWirkungsquer-
schnittefürdiebeschriebenenKanäleamDeuterium.DurchdieAnalysederDeuterium
Daten und Subtraktion der publizierten Wasserstoff Daten kann der massendifferentielle
Wirkungsquerschnitt am Neutron bestimmt werden. Eine grundlegende Frage der Theo
rie ist, ob die Wirkungsquerschnitte am Neutron und am Proton identisch sind, bzw. in
wieweitsieimrelevantenEnergiebereichvoneinanderabweichen.
Um die W quantitativ zu bestimmen benötigt man die Effizienz des
Detektorsystems.Umdiesezuberechnen,entwickelteichdieMonteCarloSimulationfür
den verwendeten Detektoraufbau unter Verwendung einer auf GEANT basierenden Vor-
lagedesCrystalBallSimulationscodes.
Derzeit können die BUU Transportrechnungen die Unterschiede in den beiden Isospin
Kanälen für die Festkörpertargets nicht richtig wiedergeben. Dies könnte auf Unsicher-
heitenindenProduktionsquerschnittenamNeutronzurückgeführtwerden.Eineendgülti
ge Aussage, ob die Effekte alleine durch Endzustandswechselwirkungen oder durch teil
weise Wiederherstellung der chiralen Symmetrie erklärt werden kann, kann aus diesem
Grunde noch nicht getroffen werden. Durch die Bestimmung der Wirkungsquerschnitte
am Neutron und Implementation der Erkenntnisse in den BUU Code können die Rech
nungenwiederholtunddannmitdenpubliziertenDatenverglichenwerden.
ImVergleichzumProtonzeigtderdifferentielleWirkungsquerschnittamNeutroneinere
lative Verschiebung der Intensität zur Schwelle derππ Massen. Mit dem hier gegebenen
WirkungsquerschnittkanndieTheorienunihreModellebezüglichderAnregungsfunkti
onamNeutronanpassen.
VonDezember2002bisOktober2003entwickelteichdieSlowControlfürdieneueTAPS
Elektronik, basierend auf einer 6U VME Ausleseplatine (CAEN V874 Motherboard).
Die Elektronik wurde auf die speziellen Belange der BaF Szintillatoren zugeschnitten2
undkamindieserCrystalBall/TAPS@MAMIStrahlzeiterstmaligzumEinsatz.
ZwischenNovemberundDezember2003bauteichmitRalfGregoreinTest Experiment
mit19BaF KristallenamInstitutfürKernphysikinMainzauf.2
ImJanuar2004begannenwirmitderErrichtungdeskomplettenTAPS Detektorsystems
als Vorwärtswand. Diese Vorwärtswand bestand aus 510 BaF Kristallen unter Verwen 2
dungderneuenElektronikund510Plastikszintillatoren,dievordeneinzelnenKristallen
als Detektor für geladene Teilchen (Charged Particle Veto, CPV) angebracht wurden. In
Kombination mit dem Crystal Ball, der Photonenmarkierungsanlage (Glasgow Mainz
Tagger), zwei Drahtkammern (Multi Wire Proportional Chamber, MWPC) und einem
Teilchenidentifikationsdetektor(ParticleIdentificationDetector,PID)wurdeeingemein
samesAuslesesystemerrichtet.
IIAbstract
Inthisthesisthequasifreephotoproductionofpionpairsonboundnucleons
γ +A−→ππ(A−1)+N
isanalyzedforliquidDeuterium. Thesemeasurementsallowanisospindependentdeter-
minationofthemassdifferentialandtotalcrosssectionofpionpairsonDeuterium.
InformerexperimentspioninducedproductionofpionpairswasmeasuredbytheCHAOS
andCrystalBallcollaborations. Theinvariantmassdistributionsshowedashiftinstrength
towards the threshold region with increasing atomic number of the targets in case of the
isoscalar ππ meson system. According to theoretical predictions this effect could be in
terpretedasapositivesignatureofapartialrestorationofchiralsymmetry.
Aspionsarestronglyinteractingparticles,whichgetabsorbedinthesurfaceregionofthe
nucleus, these measurement only probed small effective densities. In contrast, photons
can penetrate the whole nucleus resulting in a higher effective nuclear density. A pio
neeringexperimentwithaphotonbeamwasperformedbytheTAPScollaborationatthe
accelerator facility MAMI B in Mainz in 1999. This measurement observed an invariant
0 0mass shift of the isoscalar π π channel with increasing atomic number as well. In the
± 0π π channel this effect was not observed which served as a cross check. This observa
tion confirmed the former experiments, since final state interactions of the pions would
affect in first order both isospin channels in a similar way. Due to the poor statistics, the
significanceofthedatawashoweverlimited.
The experiment described in this work reached a much higher statistical significance,
allowing a review of the old data. In this experiment, the TAPS detector was used as a
forward wall in combination with the Crystal Ball detector to achieve almost the com
plete4π solidanglecoverageforparticledetectionattheMAMIacceleratorfacility. The
installation of the experimental setup started at the end of 2003. The new readout elec
tronics for the BaF crystals was used for the first time. Between June 2004 and April2
2005 measurements on several targets were performed, including the lD data which has2
beenanalyzedinthiswork.
Thenewdataanalysis,performedbyRalfGregor,confirmsthepreviouslymeasuredand
0 0published data. However, the shift of the invariant π π mass to the threshold region is
less pronounced compared to the published data. Beside the analysis of the solid tar-
gets(C,CaandPb),whichwasperformedbyRalfGregor,theoftheDeuterium
data is an essential contribution to understanding the ongoing processes for two reasons.
Firstly, there is the possibility to compare the solid targets and Hydrogen to the lightest
nucleus having Fermi motion included but the lowest possible nuclear volume, the Deu
terium. For the second reason, there are no data for the mass differential cross section
on the neutron available for the mentioned channels. Analyzing the Deuterium data and
subtractingthepublishedprotondata,thecrosssectionontheneutrongetsaccessible. An
essential question for the theory is, whether the cross section on neutron and proton are
thesameorhowmuchtheydifferintherelevantenergyregime.
IIITodeterminetheabsolutecrosssection, theefficiencyofthedetectorsystemisrequired.
To provide this efficiency, I also developed the MonteCarlo simulation using a skeleton
oftheCrystalBallsimulationcode,basedontheGEANTpackage.
Presently,BUUtransportcalculationscannotdescribethedifferentbehaviorintheisospin
channels for the solid targets, which may partly be due to uncertainties in the production
cross section on the neutron. Therefore, a final interpretation of the observed mass shift
- whether it can be described by final state interaction alone or by a partial restoration of
chiral symmetry - can not be made as yet. With the cross section determination on the
neutron,theBUUcalculationscanberefinedandcomparedtotheanalyzeddataagain.
The cross section on the neutron shows a relative shift of strength towards lower mππ
in comparison to the cross section on the proton. With the cross section on the neutron
available,refinedtransportcalculationsshouldbeperformed.
From December 2002 till October 2003 I developed the slow control for the new TAPS
electronics, which was based on a 6U VME readout board (CAEN V874 motherboard).
The electronics was tailored to the specific needs of BaF scintillators, and it was used2
thefirsttimeintheCrystalBall/TAPS@MAMIbeamperiod.
In November and December 2003, together with Ralf Gregor, we built a test setup with
19BaF crystalsatthetaggedphotonfacilityoftheInstitutfürKernphysikinMainz.2
In January 2004 we began the installation of the full TAPS setup as a forward wall, con
sisting of 510 BaF crystals using the new electronics and 510 individual plastic scintil 2
lators which served as a charged particle veto detector (CPV). In combination with the
Crystal Ball, the Glasgow Mainz Tagger, two wire chambers (MWPC’s) and a particle
identificationdetector(PID),acommonreadoutsystemwasinstalled.
IVContents
Contents
1. Motivationandtheoreticalbackground 1
1.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. PropertiesofHadrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1. Mesons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2. Baryons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3. BasicsonChiralSymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4. ChiralSymmetryRestoration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5. ExperimentalAccesstoChiralSymmetryRestoration . . . . . . . . . . . 12
1.6. PhotoproductionofMesonsoffNucleiandTheoreticalModels . . . . . . 14
1.7.accesstomediummodifications . . . . . . . . . . . . . . . 16
2. ExperimentalSetupofCB/TAPS@MAMI 23
2.1. TheMAMIAccelerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2. ThePhotonBeam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3. TheGlasgow MainzTagger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4. TheTargets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.1. HydrogenandDeuteriumTarget . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2. SolidTargets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.3. Targetposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5. ParticleID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6. Wirechambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.7. TAPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.7.1. BaF Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
2.7.2. TAPSGeometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7.3. ThenewElectronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.7.4. ComputersandTFTP Boot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.7.5. ThenewreadoutandDAQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7.6. Slowcontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7.7. TheChargedParticleVeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.8. CrystalBall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.8.1. NaIDetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.8.2. GeometryofCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.8.3. ReadoutElectronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.9. ThecombinedDAQSystem,Triggers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.10. OverviewoftakenData . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3. CalibrationandReconstruction 61
3.1. TAPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1. Energy calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.2. Time calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.3. Pulseseshape calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.4. LED calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
VContents
3.2. CrystalBall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.1. Energy calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.2. Time calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3. TAGGER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3.1. Randomsubstraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3.2. Energy calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.3. Time calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.4. TaggingEfficiency(TE)Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.4. MultiWireProportionalChamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.5. ParticleIdentificationDetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5.1. Position calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5.2. Energy calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.3. Time calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6. Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6.1. Clusterreconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.6.2. Impact. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.6.3. Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4. Analysis 79
0 04.1. Theπ π channelonliquidDeuterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
± 04.2. Theπ πonliquid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5. MonteCarlosimulation 91
5.1. Eventgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2. GEANT3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.3. Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.4. Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5. Analysisandefficiencydetermination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
0 05.5.1. Theπ π channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
± 05.5.2. Theπ π . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.5.3. Resolutioneffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6. Results 111
6.1. DeterminationofthemassdifferentialcrosssectiononliquidDeuterium . 111
0 06.1.1. Crosssectionoftheπ π channel . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
± 06.1.2. Crossoftheπ π . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.2. DeterminationofthetotalcrosssectiononliquidDeuterium . . . . . . . 116
0 06.2.1. Totalcrosssectionoftheπ π channel . . . . . . . . . . . . . . 116
± 06.2.2. Totalcrossoftheπ π . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3. Interpretationandoutlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.1. Massdifferentialcrosssections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3.2. Totalcrosssections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
References 126
VI