Photo- und Elektropionproduktion in chiraler effektiver Feldtheorie

In der vorliegenden Arbeit werden Photopionproduktion (PPP) und Elektropionproduktion (EPP) im Rahmen der manifest lorentzinvarianten baryonischen chiralen Störungstheorie untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Zum einen wird eine Rechnung auf Einschleifenniveau bis zur chiralen Ordnung O(q^4) mit Pionen und Nukleonen als Freiheitsgrade durchgeführt, um die Energieabhängigkeit der Reaktionen über einen möglichst großen Bereich zu beschreiben. Um die Abhängigkeit von der Photonvirtualität in der EPP zu verbessern, werden zum anderen in einer zweiten Rechnung Vektormesonen in die Theorie einbezogen. Diese Rechnung wird bis zur chiralen Ordnung O(q^3) auf Einschleifenniveau durchgeführt. rnrnVon den vier physikalischen Prozessen in PPP und EPP sind nur drei experimentell zugänglich. Untersucht werden diese Reaktionen an mehreren verschiedenen Anlagen, z.B. in Mainz, Bonn oder Saskatoon. Die dort gewonnenen Daten werden hier verwendet, um die Grenzen der chiralen Störungstheorie auszuloten. rnrnDiese Arbeit stellt die erste, vollständige, manifest lorentzinvariante Rechnung in O(q^4) für PPP und EPP, und die erste jemals durchgeführte Rechnung mit Vektormesonen als Freiheitsgrade für diesen Prozess, dar. Neben der Berechnung der physikalischen Observablen wird auch eine Partialwellenzerlegung durchgeführt und die wichtigsten Multipole untersucht. Diese lassen sich aus den gewonnenen Amplituden extrahieren und bieten eine gute Möglichkeit das Nukleon und Resonanzen zu untersuchen. rnrnUm das Matrixelement für die Prozesse berechnen zu können, wurden verschiedene Routinen für das Computeralgebrasystem Mathematica entwickelt, da die Anzahl der zu bestimmenden Diagramme sehr groß ist. Für die Multipolzerlegung werden zwei verschiedene Programme verwendet. Zum einen das bereits existierende Programm XMAID, welches für diese Arbeit entsprechend modifiziert wurde. Zum anderen wurden vergleichbare Routinen für Mathematica entwickelt. Am Ende der Analysen werden die verschiedenen Rechnungen bezüglich ihrer Anwendbarkeit auf PPP und EPP verglichen.

This thesis is concerned with pion photoproduction (PPP) and pion electroproduction (PEP) in the framework of manifestly Lorentz-invariant baryon chiral perturbation theory. For that purpose two different approaches are used. Firstly, a one-loop-order calculation up to chiral order O(q^4) including pions and nucleons as degrees of freedom, is performed to describe the energy dependence of the reactions over a large range. To improve the dependence on the virtuality of the photon in PEP, in a second approach vector mesons are included as explicit degrees of freedom. The latter calculation includes one-loop contributions up to chiral order O(q^3).rnrnOnly three of the four physical processes of PPP and PEP can be accessed experimentally. These reactions are measured at several different facilities, e.g. Mainz, Bonn, or Saskatoon. The data obtained there are used to explore the limits of chiral perturbation theory.rnrnThis thesis is the first complete manifestly Lorentz-invariant calculation up to order O(q^4) for PPP and PEP, and the first calculation ever for these processes including vector mesons explicitly. Beside the calculation of physical observables, a partial wave decomposition is performed and the most important multipoles are analyzed. They may be extracted from the calculated amplitudes and allow one to examine the nucleon and resonances.rnrnThe number of diagrams one has to calculate is very large. In order to handle these expressions, several routines were developed for the computer algebra system Mathematica. For the multipole decomposition, two different programs are used. On the one hand, a modified version of the so-called XMAID has been employed. On the other hand, similar routines were developed for Mathematica. In the end, the different calculations are compared with respect to their applicability to PPP and PEP.