Measurement of the proton recoil spectrum in neutron beta decay with the spectrometer aSPECT : study of systematic effects

Precision measurements of observables in neutron beta decay address important open questions of particle physics and cosmology. In this thesis, a measurement of the proton recoil spectrum with the spectrometer aSPECT is described. From this spectrum the antineutrino-electron angular correlation coefficient a can be derived. In our first beam time at the FRM II in Munich, background instabilities prevented us from presenting a new value for a. In the latest beam time at the ILL in Grenoble, the background has been reduced sufficiently. As a result of the data analysis, we identified and fixed a problem in the detector electronics which caused a significant systematic error. The aim of the latest beam time was a new value for a with an error well below the present literature value of 4%. A statistical accuracy of about 1.4% was reached, but we could only set upper limits on the correction of the problem in the detector electronics, too high to determine a meaningful result. This thesis focused on the investigation of different systematic effects. With the knowledge of the systematics gained in this thesis, we are able to improve aSPECT to perform a 1% measurement of a in a further beam time.

Photoproduktion neutraler Pionen am Proton mit linear polarisierten Photonen im Bereich der Delta(1232)-Resonanz

Hinweise auf die innere Struktur des Nukleons, dessenbeobachtbares Quadrupolmoment verschwindet, lassen sich u.a.durch die Untersuchung des N->Delta(1232)-Übergangsgewinnen. Dieser wird von der magnetischen Dipolanregung M1- einem Spinflip-Übergang - dominiert. In der Reaktion (gamma(lin. pol.) p -> p pi0) gelingt es mittels der Photonasymmetrie Sigma, das Signal der kleinen elektrischen Quadrupolamplitude E2 in einem Interferenztermmit der M1-Amplitude zu verstärken und das VerhältnisREM=E2/M1 des betrachteten Übergangs zu bestimmen. DieE2-Amplitude des N->Delta-Übergangs läßt auf eineDeformation des Nukleons und/oder der Delta-Resonanzschließen. Das zugehörige Experiment wurde am MainzerElektronenbeschleuniger MAMI durchgeführt. Durch kohärenteBremsstrahlung der Elektronen an einem Diamantradiatorstanden im Bereich der Delta(1232)-Resonanz linear polarisierte Photonen zur Verfügung. Insgesamt wurden reellePhotonen im Bereich Egamma=(200-790) MeV von derA2-Photonenmarkierungsanlage (Glasgow--Tagger)energiemarkiert. Mit dem Photonenspektrometer TAPS wurden die pi0-Mesonen über ihre beiden Zerfallsphotonennachgewiesen. Die gewählte Anordnung der 504BaF2-Einzelkristalle um ein Flüssigwasserstofftargeterlaubte den pi0-Nachweis im vollen Polarwinkelbereich. Die Datenbasis zur pi0-Photoproduktion am Proton konntehinsichtlich der Wirkungsquerschnitte und Photonasymmetriendurch Datenpunkte über den gesamten Polarwinkelbereichhinweg nachdrücklich erweitert werden.Eine weiterführende Multipolanalyse der neuen(Proton-pi0)-Daten ermöglichte im Energiebereich derDelta-Resonanz die Bestimmung der s- und p-WellenIsospinamplituden von E0+, M1-, E1+ und M1+.

Photoproduktion neutraler Pionen am Proton mit linear polarisierten Photonen im Bereich der Schwelle

Diese Arbeit beschreibt ein Experiment zur Photoproduktionneutraler Pionen am Proton im Schwellenbereich. DurchVerwendung linear polarisierter Photonen konnte neben dentotalen und differentiellen Wirkungsquerschnitten zum erstenMal die Photonasymmetrie nahe der Schwelle gemessen werden.Besonderes Interesse galt dem aus diesen physikalischenObservablen bestimmbaren s-Wellen-Multipol E0+ sowie der erstmaligen Bestimmung aller drei p-Wellen-KombinationenP1, P2 und P3 im Bereich der Schwelle.Das Experiment wurde 1995/1996 am ElektronenbeschleunigerMAMI (Mainzer Mikrotron) der Universität Mainz durchgeführt.Durch Verwendung eines Diamanten als Bremsstrahltarget fürdie Elektronen wurden über den Prozeß der kohärentenBremsstrahlung linear polarisierte Photonen erzeugt. DieEnergie der Photonen wurde über die Messung der Energie der gestreuten Elektronen in der MainzerPhotonenmarkierungsanlage bestimmt. Der Detektor TAPS, eineAnordnung aus 504 BaF2-Modulen, war um einFlüssigwasserstofftarget aufgebaut. In den Modulen wurdendie im Target produzierten neutralen Pionen über ihrenZerfall in zwei Photonen nachgewiesen.Die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte wurdenim Energiebereich zwischen der Schwelle von 144.7 MeV und168 MeV gemessen. Die erstmals gemessene Photonasymmetriefür 159.5 MeV ist positiv und hat einen Wert von+0.217+/-0.046 für einen Polarwinkel von 90 Grad. Der Multipol E0+ und die drei p-Wellen-Kombinationen wurden andie physikalischen Observablen über zwei unterschiedlicheMethoden angepaßt, die übereinstimmende Ergebnisselieferten. Die Vorhersagen der Niederenergietheoreme derchiralen Störungstheorie für P1 und P2 stimmen beiEinbeziehung der statistischen und systematischen Fehler mitden experimentellen Werten überein.

Strahlungsbegleitete Pion-Photoproduktion am Proton

Im Jahre 1997 wurden von Tatischeff et al. bei der Reaktion p p -> X p pi+ resonanzartige Zustände im Spektrum der invarianten Masse des fehlenden Nukleons X bei M = 1004, 1044 und 1094 MeV gefunden. In einem zweiten Experiment von Filkov et al. beobachtete man bei der Reaktion p d -> p p X Resonanzstrukturen bei M = 966, 986 und 1003 MeV. Solche exotischen Resonanzen widersprechen etablierten Nukleonenmodellen, die die Delta(1232)-Resonanz als ersten Anregungszustand beschreiben. Zur Deutung der beobachteten Strukturen wurden Quarkcluster-Modelle mit und ohne Farb-Magnet-Wechselwirkungen entwickelt. Lvov et al. zweifelten die experimentellen Ergebnisse an, da keine Strukturen in den Daten zur reellen Comptonstreuung gefunden wurden. Als Gegenargument wurde von Kobushkin vorgeschlagen, dass diese Resonanzen eine total-antisymmetrische Spin-Flavour-Wellenfunktion haben und nur der N-2Gamma-Zerfall erlaubt wäre. In dieser Arbeit wurde die Reaktion g p -> X pi+ -> n g g pi+ zur Suche nach diesen exotischen Resonanzen verwendet. Die Daten wurden parallel zur Messung der Pion-Polarisierbarkeiten am Mainzer Beschleuniger MAMI genommen. Durch Bremsstrahlung der Elektronen an einer Radiatorfolie wurden reelle Photonen erzeugt, deren Energie von der A2-Photonenmarkierungsanlage (Glasgow-Tagger) bestimmt wurde. Als Protontarget wurde ein 10 cm langes Flüssigwasserstoff-Target verwendet. Geladene Reaktionsprodukte wurden unter Vorwärtswinkeln Theta < 20 Grad bezüglich der Strahlachse in einer Vieldraht-Proportionalkammer nachgewiesen, während Photonen im Spektrometer TAPS mit 526 BaF2-Kristallen unter Polarwinkeln Theta > 60 Grad detektiert wurden. Zum Nachweis von Neutronen stand ein Flugzeitdetektor mit insgesamt 111 Einzelmodulen zur Verfügung. Zum Test der Analysesoftware und des experimentellen Aufbaus wurden zusätzlich die Reaktionskanäle g p -> p pi0 und g p -> n pi0 pi+ ausgewertet. Für die Ein-Pion-Produktion wurden differentielle Wirkungsquerschnitte unter Rückwärtswinkeln bestimmt und mit theoretischen Modellen und experimentellen Werten verglichen. Für den Kanal g p -> n pi0 pi+ wurden Spektren invarianter Massen für verschiedene Teilchenkombinationen ermittelt und mit einer Simulation verglichen. Die Daten legen nahe, dass die Reaktion hauptsächlich über eine Anregung der Delta0(1232)-Resonanz verläuft. Bei der Suche nach exotischen Resonanzen wurden keine statistisch signifikanten Strukturen gefunden. Es wurden Obergrenzen für den differentiellen Wirkungsquerschnitt ermittelt.

Production of Z bosons in proton-proton collisions at root out s = 10 TeV: Expectations for early measurements at the ATLAS experiment

The production of the Z boson in proton-proton collisions at the LHC serves as a standard candle at the ATLAS experiment during early data-taking. The decay of the Z into an electron-positron pair gives a clean signature in the detector that allows for calibration and performance studies. The cross-section of ~ 1 nb allows first LHC measurements of parton density functions. In this thesis, simulations of 10 TeV collisions at the ATLAS detector are studied. The challenges for an experimental measurement of the cross-section with an integrated luminositiy of 100 pb−1 are discussed. In preparation for the cross-section determination, the single-electron efficiencies are determined via a simulation based method and in a test of a data-driven ansatz. The two methods show a very good agreement and differ by ~ 3% at most. The ingredients of an inclusive and a differential Z production cross-section measurement at ATLAS are discussed and their possible contributions to systematic uncertainties are presented. For a combined sample of signal and background the expected uncertainty on the inclusive cross-section for an integrated luminosity of 100 pb−1 is determined to 1.5% (stat) +/- 4.2% (syst) +/- 10% (lumi). The possibilities for single-differential cross-section measurements in rapidity and transverse momentum of the Z boson, which are important quantities because of the impact on parton density functions and the capability to check for non-pertubative effects in pQCD, are outlined. The issues of an efficiency correction based on electron efficiencies as function of the electron’s transverse momentum and pseudorapidity are studied. A possible alternative is demonstrated by expanding the two-dimensional efficiencies with the additional dimension of the invariant mass of the two leptons of the Z decay.

The electron antineutrino angular correlation coefficient a in free neutron decay: Testing the standard model with the aSPECT-spectrometer

The beta-decay of free neutrons is a strongly over-determined process in the Standard Model (SM) of Particle Physics and is described by a multitude of observables. Some of those observables are sensitive to physics beyond the SM. For example, the correlation coefficients of the involved particles belong to them. The spectrometer aSPECT was designed to measure precisely the shape of the proton energy spectrum and to extract from it the electron anti-neutrino angular correlation coefficient "a". A first test period (2005/ 2006) showed the “proof-of-principles”. The limiting influence of uncontrollable background conditions in the spectrometer made it impossible to extract a reliable value for the coefficient "a" (publication: Baessler et al., 2008, Europhys. Journ. A, 38, p.17-26). A second measurement cycle (2007/ 2008) aimed to under-run the relative accuracy of previous experiments (Stratowa et al. (1978), Byrne et al. (2002)) da/a =5%. I performed the analysis of the data taken there which is the emphasis of this doctoral thesis. A central point are background studies. The systematic impact of background on a was reduced to da/a(syst.)=0.61 %. The statistical accuracy of the analyzed measurements is da/a(stat.)=1.4 %. Besides, saturation effects of the detector electronics were investigated which were initially observed. These turned out not to be correctable on a sufficient level. An applicable idea how to avoid the saturation effects will be discussed in the last chapter.

Ab-initio study of hydrogen technology materials for hydrogen storage and proton conduction

This dissertation deals with two specific aspects of a potential hydrogen-based energy economy, namely the problems of energy storage and energy conversion. In order to contribute to the solution of these problems, the structural and dynamical properties of two promising materials for hydrogen storage (lithium imide/amide) and proton conduction (poly[vinyl phosphonic acid]) are modeled on an atomistic scale by means of first principles molecular dynamics simulation methods.rnrnrnIn the case of the hydrogen storage system lithium amide/imide (LiNH_2/Li_2NH), the focus was on the interplay of structural features and nuclear quantum effects. For these calculations, Path-Integral Molecular Dynamics (PIMD) simulations were used. The structures of these materials at room temperature were elucidated; in collaboration with an experimental group, a very good agreement between calculated and experimental solid-state 1H-NMR chemical shifts was observed. Specifically, the structure of Li_2NH features a disordered arrangement of the Li lattice, which was not reported in previous studies. In addition, a persistent precession of the NH bonds was observed in our simulations. We provide evidence that this precession is the consequence of a toroid-shaped effective potential, in which the protons in the material are immersed. This potential is essentially flat along the torus azimuthal angle, which might lead to important quantum delocalization effects of the protons over the torus.rnrnOn the energy conversion side, the dynamics of protons in a proton conducting polymer (poly[vinyl phosphonic acid], PVPA) was studied by means of a steered ab-initio Molecular Dynamics approach applied on a simplified polymer model. The focus was put on understanding the microscopic proton transport mechanism in polymer membranes, and on characterizing the relevance of the local environment. This covers particularly the effect of water molecules, which participate in the hydrogen bonding network in the material. The results indicate that these water molecules are essential for the effectiveness of proton conduction. A water-mediated Grotthuss mechanism is identified as the main contributor to proton conduction, which agrees with the experimentally observed decay on conductivity for the same material in the absence of water molecules.rnrnThe gain in understanding the microscopic processes and structures present in this materials can help the development of new materials with improved properties, thus contributing to the solution of problems in the implementation of fuel cells.

Measurement of the pair production of b-jets in proton-proton collisions at root out s = 7 TeV with the ATLAS detector

In hadronischen Kollisionen entstehen bei einem Großteil der Ereignisse mit einem hohen Impulsübertrag Paare aus hochenergetischen Jets. Deren Produktion und Eigenschaften können mit hoher Genauigkeit durch die Störungstheorie in der Quantenchromodynamik (QCD) vorhergesagt werden. Die Produktion von \textit{bottom}-Quarks in solchen Kollisionen kann als Maßstab genutzt werden, um die Vorhersagen der QCD zu testen, da diese Quarks die Dynamik des Produktionsprozesses bei Skalen wieder spiegelt, in der eine Störungsrechnung ohne Einschränkungen möglich ist. Auf Grund der hohen Masse von Teilchen, die ein \textit{bottom}-Quark enthalten, erhält der gemessene, hadronische Zustand den größten Teil der Information von dem Produktionsprozess der Quarks. Weil sie eine große Produktionsrate besitzen, spielen sie und ihre Zerfallsprodukte eine wichtige Rolle als Untergrund in vielen Analysen, insbesondere in Suchen nach neuer Physik. In ihrer herausragenden Stellung in der dritten Quark-Generation könnten sich vermehrt Zeichen im Vergleich zu den leichteren Quarks für neue Phänomene zeigen. Daher ist die Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Produktion von Jets, die solche \textit{bottom}-Quarks enthalten, auch bekannt als $b$-Jets, und aller nachgewiesener Jets ein wichtiger Indikator für neue massive Objekte. In dieser Arbeit werden die Produktionsrate und die Korrelationen von Paaren aus $b$-Jets bestimmt und nach ersten Hinweisen eines neuen massiven Teilchens, das bisher nicht im Standard-Modell enthalten ist, in dem invarianten Massenspektrum der $b$-Jets gesucht. Am Large Hadron Collider (LHC) kollidieren zwei Protonenstrahlen bei einer Schwerpunktsenergie von $\sqrt s = 7$ TeV, und es werden viele solcher Paare aus $b$-Jets produziert. Diese Analyse benutzt die aufgezeichneten Kollisionen des ATLAS-Detektors. Die integrierte Luminosität der verwendbaren Daten beläuft sich auf 34~pb$^{-1}$. $b$-Jets werden mit Hilfe ihrer langen Lebensdauer und den rekonstruierten, geladenen Zerfallsprodukten identifiziert. Für diese Analyse müssen insbesondere die Unterschiede im Verhalten von Jets, die aus leichten Objekten wie Gluonen und leichten Quarks hervorgehen, zu diesen $b$-Jets beachtet werden. Die Energieskala dieser $b$-Jets wird untersucht und die zusätzlichen Unsicherheit in der Energiemessung der Jets bestimmt. Effekte bei der Jet-Rekonstruktion im Detektor, die einzigartig für $b$-Jets sind, werden studiert, um letztlich diese Messung unabhängig vom Detektor und auf Niveau der Hadronen auswerten zu können. Hiernach wird die Messung zu Vorhersagen auf nächst-zu-führender Ordnung verglichen. Dabei stellt sich heraus, dass die Vorhersagen in Übereinstimmung zu den aufgenommenen Daten sind. Daraus lässt sich schließen, dass der zugrunde liegende Produktionsmechanismus auch in diesem neu erschlossenen Energiebereich am LHC gültig ist. Jedoch werden auch erste Hinweise auf Mängel in der Beschreibung der Eigenschaften dieser Ereignisse gefunden. Weiterhin können keine Anhaltspunkte für eine neue Resonanz, die in Paare aus $b$-Jets zerfällt, in dem invarianten Massenspektrum bis etwa 1.7~TeV gefunden werden. Für das Auftreten einer solchen Resonanz mit einer Gauß-förmigen Massenverteilung werden modell-unabhängige Grenzen berechnet.

Search for high mass resonances decaying into electron-positron pairs in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector

The Standard Model of particle physics was developed to describe the fundamental particles, which form matter, and their interactions via the strong, electromagnetic and weak force. Although most measurements are described with high accuracy, some observations indicate that the Standard Model is incomplete. Numerous extensions were developed to solve these limitations. Several of these extensions predict heavy resonances, so-called Z' bosons, that can decay into an electron positron pair. The particle accelerator Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Switzerland was built to collide protons at unprecedented center-of-mass energies, namely 7 TeV in 2011. With the data set recorded in 2011 by the ATLAS detector, a large multi-purpose detector located at the LHC, the electron positron pair mass spectrum was measured up to high masses in the TeV range. The properties of electrons and the probability that other particles are mis-identified as electrons were studied in detail. Using the obtained information, a sophisticated Standard Model expectation was derived with data-driven methods and Monte Carlo simulations. In the comparison of the measurement with the expectation, no significant deviations from the Standard Model expectations were observed. Therefore exclusion limits for several Standard Model extensions were calculated. For example, Sequential Standard Model (SSM) Z' bosons with masses below 2.10 TeV were excluded with 95% Confidence Level (C.L.).

Single meson production in proton diffraction at 190 GeV/c at COMPASS

The quark model successfully describes all ground state bary-ons as members of $SU(N)$ flavour multiplets. For excited baryon states the situation is totally different. There are much less states found in the experiment than predicted in most theoretical calculations. This fact has been known for a long time as the 'missing resonance problem'. In addition, many states found in experiments are only poorly measured up to now. Therefore, further experimental efforts are needed to clarify the situation.rnrnAt mbox{COMPASS}, reactions of a $190uskgigaeVperclight$ hadron beam impinging on a liquid hydrogen target are investigated.rnThe hadron beam contains different species of particles ($pi$, $K$, $p$). To distinguish these particles, two Cherenkov detectors are used. In this thesis, a new method for the identification of particles from the detector information is developed. This method is based on statistical approaches and allows a better kaon identification efficiency with a similar purity compared to the method, which was used before.rnrnThe reaction $pprightarrow ppX$ with $X=(pi^0,~eta,~omega,~phi)$ is used to study different production mechanisms. A previous analysis of $omega$ and $phi$ mesons is extended to pseudoscalar mesons. As the resonance contributions in $peta$ are smaller than in $ppi^0$ a different behaviour of these two final states is expected as a function of kinematic variables. The investigation of these differences allows to study different production mechanisms and to estimate the size of the resonant contribution in the different channels.rnrnIn addition, the channel $pprightarrow ppX$ allows to study baryon resonances in the $pX$ system.rnIn the mbox{COMPASS} energy regime, the reaction is dominated by Pomeron exchange. As a Pomeron carries vacuum quantum numbers, no isospin is transferred between the target proton and the beam proton. Therefore, the $pX$ final state has isospin $textstylefrac{1}{2}$ and all baryon resonances in this channel are $N^ast$ baryons. This offers the opportunity to do spectroscopy without taking $Delta$ resonances into account. rnrnTo disentangle the contributions of different resonances a partial wave analysis (PWA) is used. Different resonances have different spin and parity $J^parity$, which results in different angular distributions of the decay particles. These angular distributions can be calculated from models and then be fitted to the data. From the fit the contributions of the single resonances as well as resonance parameters -- namely the mass and the width -- can be extracted. In this thesis, two different approaches for a partial wave analysis of the reaction $pprightarrow pppi^0$ are developed and tested.

Study of the helicity dependence of pi 0 photoproduction on proton at MAMI

The excitation spectrum is one of the fundamental properties of every spatially extended system. The excitations of the building blocks of normal matter, i.e., protons and neutrons (nucleons), play an important role in our understanding of the low energy regime of the strong interaction. Due to the large coupling, perturbative solutions of quantum chromodynamics (QCD) are not appropriate to calculate long-range phenomena of hadrons. For many years, constituent quark models were used to understand the excitation spectra. Recently, calculations in lattice QCD make first connections between excited nucleons and the fundamental field quanta (quarks and gluons). Due to their short lifetime and large decay width, excited nucleons appear as resonances in scattering processes like pion nucleon scattering or meson photoproduction. In order to disentangle individual resonances with definite spin and parity in experimental data, partial wave analyses are necessary. Unique solutions in these analyses can only be expected if sufficient empirical information about spin degrees of freedom is available. The measurement of spin observables in pion photoproduction is the focus of this thesis. The polarized electron beam of the Mainz Microtron (MAMI) was used to produce high-intensity, polarized photon beams with tagged energies up to 1.47 GeV. A "frozen-spin" Butanol target in combination with an almost 4π detector setup consisting of the Crystal Ball and the TAPS calorimeters allowed the precise determination of the helicity dependence of the γp → π0p reaction. In this thesis, as an improvement of the target setup, an internal polarizing solenoid has been constructed and tested. A magnetic field of 2.32 T and homogeneity of 1.22×10−3 in the target volume have been achieved. The helicity asymmetry E, i.e., the difference of events with total helicity 1/2 and 3/2 divided by the sum, was determined from data taken in the years 2013-14. The subtraction of background events arising from nucleons bound in Carbon and Oxygen was an important part of the analysis. The results for the asymmetry E are compared to existing data and predictions from various models. The results show a reasonable agreement to the models in the energy region of the ∆(1232)-resonance but large discrepancies are observed for energy above 600 MeV. The expansion of the present data in terms of Legendre polynomials, shows the sensitivity of the data to partial wave amplitudes up to F-waves. Additionally, a first, preliminary multipole analysis of the present data together with other results from the Crystal Ball experiment has been as been performed.