Determination of the gluon polarisation from open charm production at COMPASS

One of the main goals of the COMPASS experiment at CERN is the determination of the gluon polarisation in the nucleon. It is determined from spin asymmetries in the scattering of 160 GeV/c polarised muons on a polarised LiD target. The gluon polarisation is accessed by the selection of photon-gluon fusion (PGF) events. The PGF-process can be tagged through hadrons with high transverse momenta or through charmed hadrons in the final state. The advantage of the open charm channel is that, in leading order, the PGF-process is the only process for charm production, thus no physical background contributes to the selected data sample. This thesis presents a measurement of the gluon polarisation from the COMPASS data taken in the years 2002-2004. In the analysis, charm production is tagged through a reconstructed D0-meson decaying in $D^{0}-> K^{-}pi^{+}$ (and charge conjugates). The reconstruction is done on a combinatorial basis. The background of wrong track pairs is reduced using kinematic cuts to the reconstructed D0-candidate and the information on particle identification from the Ring Imaging Cerenkov counter. In addition, the event sample is separated into D0-candidates, where a soft pion from the decay of the D*-meson to a D0-meson, is found, and the D0-candidates without this tag. Due to the small mass difference between D*-meson and D0-meson the signal purity of the D*-tagged sample is about 7 times higher than in the untagged sample. The gluon polarisation is measured from the event asymmetries for the for the different spin configurations of the COMPASS target. To improve the statistical precision of the final results, the events in the final sample are weighted. This method results in an average value of the gluon polarisation in the x-range covered by the data. For the COMPASS data from 2002-2004, the resulting value of the gluon polarisation is $<Delta g/g>=-0.47+-0.44 (stat)+-0.15(syst.)$. The result is statistically compatible with the existing measurements of $<Delta g/g>$ in the high-pT channel. Compared to these, the open charm measurement has the advantage of a considerably smaller model dependence.

Ein Hauptziel des COMPASS Experiments am CERN ist die Bestimmung der Gluonpolarisation im Nukleon. Sie kann aus Doppelspinasymmetrien in der Streuung von polarisierten Muonen mit einem Strahlimpuls von 160 GeV/c an einem polarisierten LiD-Target bestimmt werden. Durch die Selektion von Photon-Gluon-Fusionsereignissen (PGF) bekommt man Zugriff auf die polarisierte Gluonverteilung im Nukleon. Der PGF-Prozess kann über Hadronpaare mit hohem Transversalimpuls oder charmhaltigen Hadronen im Endzustand nachgewiesen werden. Der Vorteil der offenen Charmproduktion ist, dass in führender Ordnung der PGF-Prozess der einzige zur Charmproduktion beitragende Prozess ist. Untergrund von anderen physikalischen Prozessen tritt in den selektierten Daten nicht auf. In dieser Arbeit wird eine Messung der Gluonpolarisation mit den COMPASS-Daten der Jahre 2002-2004 vorgestellt. In der Analyse wird die Charmproduktion über ein rekonstruiertes D0-Meson nachgewiesen, das über den Kanal $D^{0} -> K^{-}pi^{+}$ (sowie den ladungskonjugierten Kanal) zerfällt. Die Rekonstruktion beruht auf der Kombination aller möglichen Spurpaare. Um den Untergrund von falschen Spurpaaren zu unterdrücken, werden Schnitte auf die D0-Kinematik sowie die Teilchenidentifikation mit dem "Ring-Imaging-Cerenkov"-Detektor genutzt. Darüber hinaus werden die Spurpaare in D0-Kandidaten, bei denen ein zusätzliches langsames Pion aus einem D*-Zerfall in ein D0 nachgewiesen werden konnte, und in D0-Kandidaten ohne diesen Nachweis unterteilt. Durch den geringen Massenunterschied zwischen D*-Meson und D0-Meson ist die Reinheit des Signals in den Daten mit dem D*-Nachweis sieben Mal größer als ohne den Nachweis. Die Gluonpolarisation wird aus den Zählratenasymmetrien für die verschiedenen Spineinstellungen des COMPASS-Targets bestimmt. Um die statistische Signifikanz des Ergebnisses zu verbessern, werden gewichtete Ereignisse verwendet. Durch die Verwendung von Signal- und Untergrundgewichten kann in der Messung zwischen der Gluonpolarisation und einer möglichen Untergrundasymmetrie unterschieden werden. Das Ergebnis der Messung ist ein Mittelwert für die Gluonpolarisation in dem von den Daten abgedeckten x-Bereich. Für die COMPASS-Daten aus den Jahren 2002-2004 ergibt sich ein Wert von $<Delta g/g>=-0.47+-0.44(stat.)+-0.15(syst.)$ für die Gluonpolarisation. Das Ergebnis ist statistisch mit den präziseren Messungen über Hadronenpaare mit hohem Transversalimpuls kompatibel. Gegenüber diesen Messungen hat die "open charm"-Messung den Vorteil, erheblich weniger von Modellen abzuhängen.