Entwicklung einer Fokalebenen-Driftkammer für niederenergetische Pionen und experimentelle Bestimmung einer inversen Transfermatrix für das Short-Orbit-Spektrometer

Die Drei-Spektrometer-Anlage am Mainzer Institut für Kernphysik wurde um ein zusätzliches Spektrometer ergänzt, welches sich durch seine kurze Baulänge auszeichnet und deshalb Short-Orbit-Spektrometer (SOS) genannt wird. Beim nominellen Abstand des SOS vom Target (66 cm) legen die nachzuweisenden Teilchen zwischen Reaktionsort und Detektor eine mittlere Bahnlänge von 165 cm zurück. Für die schwellennahe Pionproduktion erhöht sich dadurch im Vergleich zu den großen Spektrometern die Überlebenswahrscheinlichkeit geladener Pionen mit Impuls 100 MeV/c von 15% auf 73%. Demzufolge verringert sich der systematische Fehler ("Myon-Kontamination"), etwa bei der geplanten Messung der schwachen Formfaktoren G_A(Q²) und G_P(Q²), signifikant. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Driftkammer des SOS. Ihre niedrige Massenbelegung (0,03% X_0) zur Reduzierung der Kleinwinkelstreuung ist auf den Nachweis niederenergetischer Pionen hin optimiert. Aufgrund der neuartigen Geometrie des Detektors musste eine eigene Software zur Spurrekonstruktion, Effizienzbestimmung etc. entwickelt werden. Eine komfortable Möglichkeit zur Eichung der Driftweg-Driftzeit-Relation, die durch kubische Splines dargestellt wird, wurde implementiert. Das Auflösungsvermögen des Spurdetektors liegt in der dispersiven Ebene bei 76 µm für die Orts- und 0,23° für die Winkelkoordinate (wahrscheinlichster Fehler) sowie entsprechend in der nicht-dispersiven Ebene bei 110 µm bzw. 0,29°. Zur Rückrechnung der Detektorkoordinaten auf den Reaktionsort wurde die inverse Transfermatrix des Spektrometers bestimmt. Hierzu wurden an Protonen im ¹²C-Kern quasielastisch gestreute Elektronen verwendet, deren Startwinkel durch einen Lochkollimator definiert wurden. Daraus ergeben sich experimentelle Werte für die mittlere Winkelauflösung am Target von sigma_phi = 1,3 mrad bzw. sigma_theta = 10,6 mrad. Da die Impulseichung des SOS nur mittels quasielastischer Streuung (Zweiarmexperiment) durchgeführt werden kann, muss man den Beitrag des Protonarms zur Breite des Piks der fehlenden Masse in einer Monte-Carlo-Simulation abschätzen und herausfalten. Zunächst lässt sich nur abschätzen, dass die Impulsauflösung sicher besser als 1% ist.

The three-spectrometer facility at the Mainz microtron MAMI was supplemented by an additional spectrometer, which is characterized by its short path-length and therefore is called Short Orbit Spectrometer (SOS). At nominal distance from target to SOS (66 cm) the particles to be detected cover a mean path-length between reaction point and detector of 165 cm. Thus for pion electroproduction close to threshold in comparison to the big spectrometers the surviving probability of charged pions with momentum 100 MeV/c raises from 15% to 73%. Consequently the systematic error ("myon contamination"), as for the proposed measurement of the weak form-factors G_A(Q²) and G_P(Q²), reduces significantly. The main subject of this thesis is the driftchamber for the SOS. Its small relative thickness (0,03% X_0), reducing multiple scattering, is optimized with regard to detecting low-energy pions. Due to the innovative character of the driftchamber geometry a dedicated software for track-reconstruction, efficiency-determination etc. had to be developed. A comfortable feature for calibrating the driftpath-drifttime-relation, represented by cubic splines, was implemented. The resolution of the track detector in the dispersive plane is 76 µm for the spatial and 0,23° for the angular coordinate (most probable error) and, correspondingly, 110 µm and 0,29° in the non-dispersive plane. For backtracing the reaction quantities from the detector coordinates the inverse transfer-matrix of the spectrometer was determined. For this purpose electrons were scattered quasi-elastically from protons inside the ¹²C-nucleus, thus defining the starting angles of the electrons by holes of a sieve collimator. The resulting experimental values for the angular resolution at the target amount to sigma_phi = 1,3 mrad and sigma_theta = 10,6 mrad resp. The momentum calibration of the SOS only can be achieved by quasi-elastic scattering (two-arm experiment). For this reason the contribution of the proton-arm to the width of the missing-mass peak has to be estimated by Monte-Carlo simulation and folded out. Preliminary only a rough upper estimation of better than 1% for the momentum resolution can be given.