Investigation of the Dalitz decays and the electromagnetic form factors of the _j63 [eta] and π_1hn0-meson [pi-0-meson] [Elektronische Ressource] / von Henning Berghäuser

Berghaeuser, John Henning

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• Publié par: justus-liebig-universitat_giessen
• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: Deutsch
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Extrait

2
Collaborationa
Dissertation zu dem Thema
Investigation of the Dalitz decays and the
electromagnetic form factors of the η and
0π -meson
vorgelegt dem
Fachbereich 07 der Justus-Liebig-Universität Gießen
von
Henning Berghäuser
aus
Weilburg
II. Physikalisches Institut
Betreuer: Prof. Dr. Volker MetagFür meine Eltern„...and you will find someday that, after all,
it isn’t as horrible as it looks.“
Richard FeynmanZusammenfassung
Mit dem CB/TAPS-Experiment am Elektronenbeschleuniger MAMI-C in Mainz werden
Zerfälle von Mesonen und Baryonen untersucht. Die Hadronen werden in photonindu-
zierten Reaktionen an Protonen (und Neutronen) produziert. Dabei können als Target
nicht nur freie Protonen (lH ) sondern auch Atomkerne (C,Nb,Pb) verwendet werden.2
0In der vorliegenden Arbeit wurden die Dalitz Zerfälle des η und des π Mesons ana-
lysiert. Der Fokus lag dabei auf der Bestimmung des elektromagnetischen Übergangs-
formfaktors desη-Mesons. Dieser Formfaktor enthält wesentliche Informationen über die
elektromagnetischenEigenschaftenundSubstrukturendesTeilchens.Mesonensindkeine
punktförmigen Elementarteilchen, sondern bestehen aus stark wechselwirkenden Quarks
und Antiquarks. Demzufolge sind für die elektromagnetischen Zerfälle eines Mesons Ab-
weichungen von den Vorhersagen der Quanten Elektrodynamik (QED) zu erwarten.
Für diese Abweichungen existieren Vorhersagen unterschiedlicher theoretischer Modelle,
wie z.B. dem Vector Meson Dominance Model (VMD) oder dem Leupold-Terschluesen
Modell [46]. Anhand von Experimenten wie in dieser Arbeit können die theoretischen
Modelle überprüft werden.
Neben den Dalitz Zerfällen wurden in der vorliegenden Arbeit weitere Zerfallskanäle der
0Mesonen π , η und ω untersucht mit dem Ziel, die entsprechenden Verzweigungsver-
0hältnisse zu bestimmen. Darüber hinaus wurde der Wirkungsquerschnitt für die π η-
Produktion am Proton bestimmt.
Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Separation
von geladenen Pionen und Elektronen/Positronen im Rahmen der Teilchenidentifikati-
on. Diese Trennung ist eine wesentliche Voraussetzung für die Analyse geladener Zer-
fallskanäle. Da das CB/TAPS Experiment kein Magnetfeld verwendet, erscheint diese
Separation zunächst als sehr schwierig. Jedoch wird in dieser Arbeit eine Methode vor-
gestellt, mit der eine Separation auch ohne ein Magnetfeld erfolgreich realisiert werden
kann. Werden alle Teilchen im Endzustand einer Reaktion sowie das Rückstoßproton
nachgewiesen (exklusive Analyse), so können alle Informationen der vollständigen Ki-
± ±nematik in der Analyse ausgenutzt werden, um missidentifizierte π ,e zu entfernen.
Zusätzliche Schnitte auf die Clustergrößen helfen ebenfalls diesen Untergrund weiter
+ − + −zu unterdrücken. Die Wahrscheinlichkeit dafür, ein π π -Paar als e e -Paar falsch zu
−7identifizieren ist kleiner als 3· 10 .
Die experimentellen Daten wurden in zwei Strahlzeiten in 2007 mit den Detektoren
VIITagger, Crystal Ball und TAPS aufgezeichnet. Der primäre Photonenstrahl, der über
den Bremsstrahlungseffekt aus dem Elektronenstrahl von MAMI-C erzeugt wurde, traf
auf ein Flüssigwasserstofftarget auf und induzierte dabei die hadronischen Reaktionen.
Eine vorläufige Teilchenidentifikation wurde mit Hilfe der dEvE-Methode und der time-
of-flight-Technik realisiert. Anhand der gemessenen Zeitkoinzidenzen konnten zufällige
Ereignisse aussortiert werden.
Da der Umfang der experimentellen Daten ca. 2 TByte betrug, war eine Datenkom-
pression notwendig. Für deren Verwirklichung wurde eine spezielle, NTuple-gestützte
Analyseprozedur entwickelt und nur solche Ereignisse wurden ausgewertet, die bestimm-
te Kriterien erfüllten. Auf diese Weise konnte die Datenmenge stark reduziert werden.
Neben der Kompression wurde auch die Kalibration der Daten und die vorangehende
Entwicklung dazu geeigneter Methoden und benötigter Programme an der Universität
Giessen durchgeführt. Auch für die Analyse der detektierten Ereignisse wurde ein neues
Programm in C++ entwickelt (AR 2v3).HB
+ −In der exklusiven Analyse des Dalitz Zerfalls η → e e γ konnten 827 Ereignisse re-
konstruiert werden. Verglichen mit dem Ergebnis der SND-Kollaboration [1] ist damit
die Statistik in der vorliegenden Arbeit um einen Faktor 8 größer. Für die Steigung des
η-Formfaktors wurde der folgende Wert ermittelt:
dF 1−2 +0.43b = | 2 = Λ = 1.84q =0 −0.32 22dq GeV
mit: Λ = (740± 74) MeV
InnerhalbderFehlerstimmtdiesesErgebnismitdenResultatenderExperimenteLepton-
G [13], NA60 [12] und SND [1] überein. Des Weiteren konnte eine gute Übereinstimmung
mit dem theoretischen Modell von Leupold-Terschlüsen [46] festgestellt werden.
0In der Analyse des π -Dalitz Zerfalls wurde wie erwartet keine Abweichung von der
QED-Vorhersage gefunden.
0Neben den genannten Dalitz-Zerfällen wurden auch die Reaktionen η→γγ, η→γγπ ,
0 0 + − + − 0 0η→ 3π , η→π π π , ω→π π π sowie ω→π γ untersucht. In diesem Zusammen-
hang konnten die folgenden Verzweigungsverhältnisse bestimmt werden:
−3BR = (6.18± 0.65)· 10 BR + − 0 = (22.9± 1.7)%η-Dalitz η→π π π
BR 0 = (10.2± 1.4)%ω→π γ
Diese Ergebnisse entsprechen publizierten Resultaten [20]. Es ist anzumerken, dass der
Fehler des in dieser Arbeit gemessenen Wertes für BR kleiner ist als der entspre-η−Dalitz
chende Fehler im Particle Data Booklet der Particle Data Group.Abstract
0In this thesis the Dalitz decays of the π , η, and ω-meson have been studied in photon
0 + − + −induced reactions off the proton: γ+p→π +p→e e γ+p,γ+p→η+p→e e γ+p,
+ − 0and γ +p→ω +p→e e π +p.
The main aim has been to determine the electromagnetic transition form factor of the
η-meson. This form factor provides significant information about the electromagnetic
properties of this meson. As a meson is a non-point like particle, the corresponding
electromagnetic transition form factor is expected to differ from the standard QED
prediction (Quantum Electro Dynamics). Hence, a measurement of this form factor
provides the possibility to investigate this deviation from the QED and to test the-
oretical models like the (Vector Meson Dominance Model) VMD or the model by
Leupold-Terschluesen [46].
Beside the Dalitz decays other decay modes of the η and the ω-meson were analyzed
+ − 0 + − 0and the branching ratios of the decays η→π π π , η +p→e e γ and ω→π γ were
determined. Furthermore the cross section of η-production as well as the cross section
0of π η-production in photon induced reactions off the proton were determined.
Another aspect of this work was to investigate the possibility of separating electrons
and positrons from charged pions with the Crystal Ball and TAPS detector systems at
MAMI-C in Mainz. This coupled detector-setup is very efficient in detecting photons
and thus it is particularly suited for measurements of neutral decay modes of hadrons.
+ − + −As this setup does not use a magnetic field, an accurate separation ofe ,e fromπ ,π
is difficult. However, it was shown in this work, that an accurate separation and identifi-
cation of those particles is possible by exploiting the full kinematic information available
in exclusive analyses. Thereby Dalitz decays were identified. The background from
charged pions was suppressed further. Moreover it was found that cuts on the cluster
±sizes of the charged hits further suppress the π -background. The probability for the
+ − + − −7misidentification of a π π -pair as an e e -pair is less than 3· 10 .
Theexperimentaldataweretakenduringtwobeamtimesin2007attheelectronaccelera-
tionfacilityMAMI-CinMainz. Energytaggedphotonsproducedviathebremsstrahlung
process impinged on a liquid hydrogen target and induced among others the reactions
of interest. The detectors Tagger, Crystal Ball (including the PID) and TAPS (includ-
ing the VETO) were used for data recording. A preliminary particle identification was
provided by the dE-versus-E and the time-of-flight method. Furthermore the informa-
tion about time-coincidences between detected hits were exploited in order to suppress
random events.
IXThe total amount of experimental raw data was approximately 2 TByte. Therefore a
compression of the data was necessary. For this purpose a ntuple-based analysis pro-
cedure was developed. Only events fulfilling certain requirements were saved to these
ntuples. Thus the original amount of data was significantly reduced.
Before this compression, the data had been calibrated by the A2-group of the University
of Giessen. In this respect many procedures, macros and programs had to be developed
from scratch. The same holds for the subsequent analysis of the data. A new analysis
1program called AR 2v3 was developed in C++.HB
In all analyses the detection of the meson and the recoiling proton was required; thus
the full kinematic information could be exploited. Cuts were applied on the energy
balance, momentum balance, missing mass and the coplanarity. Depending on the par-
ticular decay channel further cuts were applied on the relative angle between particles,
the incident energy, the θ-angle of the proton and if applicable on the cluster sizes o