Feasibility studies for accessing nucleon structure observables with the PANDA experiment at the future FAIR facility

The availability of a high-intensity antiproton beam with momentum up to 15,GeV/c at the future FAIR will open a unique opportunity to investigate wide areas of nuclear physics with the $overline{P}$ANDA (anti{$overline{P}$}roton ANnihilations at DArmstadt) detector. Part of these investigations concern the Electromagnetic Form Factors of the proton in the time-like region and the study of the Transition Distribution Amplitudes, for which feasibility studies have been performed in this Thesis. rnMoreover, simulations to study the efficiency and the energy resolution of the backward endcap of the electromagnetic calorimeter of $overline{P}$ANDA are presented. This detector is crucial especially for the reconstruction of processes like $bar pprightarrow e^+ e^- pi^0$, investigated in this work. Different arrangements of dead material were studied. The results show that both, the efficiency and the energy resolution of the backward endcap of the electromagnetic calorimeter fullfill the requirements for the detection of backward particles, and that this detector is necessary for the reconstruction of the channels of interest. rnrnThe study of the annihilation channel $bar pprightarrow e^+ e^-$ will improve the knowledge of the Electromagnetic Form Factors in the time-like region, and will help to understand their connection with the Electromagnetic Form Factors in the space-like region. In this Thesis the feasibility of a measurement of the $bar pprightarrow e^+ e^-$ cross section with $overline{P}$ANDA is studied using Monte-Carlo simulations. The major background channel $bar pprightarrow pi^+ pi^-$ is taken into account. The results show a $10^9$ background suppression factor, which assure a sufficiently clean signal with less than 0.1% background contamination. The signal can be measured with an efficiency greater than 30% up to $s=14$,(GeV/c)$^2$. The Electromagnetic Form Factors are extracted from the reconstructed signal and corrected angular distribution. Above this $s$ limit, the low cross section will not allow the direct extraction of the Electromagnetic Form Factors. However, the total cross section can still be measured and an extraction of the Electromagnetic Form Factors is possible considering certain assumptions on the ratio between the electric and magnetic contributions.rnrnThe Transition Distribution Amplitudes are new non-perturbative objects describing the transition between a baryon and a meson. They are accessible in hard exclusive processes like $bar pprightarrow e^+ e^- pi^0$. The study of this process with $overline{P}$ANDA will test the Transition Distribution Amplitudes approach. This work includes a feasibility study for measuring this channel with $overline{P}$ANDA. The main background reaction is here $bar pprightarrow pi^+ pi^- pi^0$. A background suppression factor of $10^8$ has been achieved while keeping a signal efficiency above 20%.rnrnrnPart of this work has been published in the European Physics Journal A 44, 373-384 (2010).rn

Der hoch intensive Antiproton-Strahl mit einem Impulsrnvon bis zu 15,GeV/c an der im Aufbau befindlichen FAIR, rnmit dem $overline{P}$ANDA (anti{$overline{P}$}roton ANnihilations at DArmstadt) Detektor, bietet eine einzigartige Möglichkeit rnweite Bereiche der Kernphysik zu studieren. Teil dieser Studien ist die Messung derrnelektromagnetischen Formfaktoren des Protons im zeitartigem Bereich sowierndie der Transition-Distribution-Amplituden.rnAls Teil dieser Studien werden Simulationen präsentiert, mit denen die Effizienz und die Energieauflösung der Rückwärts-Endkappe des elektromagnetischen Kalorimeters von $overline{P}$ANDA studiert werden. rnDieser Detektor ist von großer Bedeutung bei der Rekonstruktion des Prozesses $bar pprightarrow e^+ e^- pi^0$, der in dieser Arbeit untersucht wird. rnEs werden verschiedene Szenarien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Eigenschaften der Rückwärts-Endkappe des elektromagnetischen Kalorimeters durch die zusätzliche Massenbelegung kaum leiden und Teilchen unter Rückwärtswinkeln gut detektiert werden können.rnrnDie effiziente Messung des Prozesses $bar pprightarrow e^+ e^-$ wird dazu dienen, das Wissen über die elektromagnetischen Formfaktoren imrnzeitartigen Bereich empfindlich zu verbessern, und damit deren Verbindung zu den elektromagnetischen Formfaktoren im raumartigem Bereich rnbesser zu verstehen. In dieser Arbeit wird, basierend auf Monte-Carlo Simulationen, die Durchführbarkeit rnder Messung $bar pprightarrow e^+ e^-$ mit $overline{P}$ANDA untersucht. Hierbei wird der bei weitem schädlichste Untergrundprozess,rn$bar pprightarrow pi^+ pi^-$, berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen eine rnUnterdrückung des Untergrundes vonrnder Ordnung $10^9$. Damit kann ein sauberes Signal mit einer geringen Verunreinigung von weniger als 0.1% erreicht werden. rnDas Signal kann bis zu einen $s=14$,(GeV/c)$^2$ mit einer Effizienz größer als $30%$ vom Untergrund sauber getrennt werden. rnDie elektromagnetischen Formfaktoren werden aus der rekonstruierten und korrigierten Winkelverteilung des Signals extrahiert.rnOberhalb des genanten $s$-Bereichs wird die Anzahl der Ereignisse zu klein, um die elektromagnetischen Formfaktoren zu extrahieren. rnSie können dennoch unter gewissen Annahmen über das Verhältnis zwischen elektrischen undrnmagnetischen Beiträgen gemessen werden.rnDie Transition-Distribution-Amplituden sind neue, nichtperturbative Objekte, welche zum Beispiel den Übergang von einem Baryon zu einem Meson beschreiben und hilfreich für die Berechnung von Wirkungsquerschnitten harter exklusiver Prozesse sind. Durch das Studium des Prozesses $bar pprightarrow e^+ e^- pi^0$ mit $overline{P}$ANDA wird die Anwendbarkeit des Transition-Distribution-Amplituden Ansatzes überprüft. Diese Arbeit enthält eine Durchführbarkeitsstudie zur Messung von $bar pprightarrow e^+ e^- pi^0$ mit $overline{P}$ANDA. Als gravierendster Untergrundsprozess wurde $bar pprightarrow pi^+ pi^- pi^0$ untersucht.rnEine Unterdrückung des Untergrundes von $10^8$ sowie eine Signaleffizienz von 20% wurden erreicht. rnTeile dieser Arbeit wurden in European Physics Journal A. 44, 373-384 (2010) veröffentlicht.