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.

Study of the helicity dependence of single pion photoproduction on the deuteron

Der erste experimentelle Test der GDH-Summenregel für das Proton wurde 1998 am MAMI-Beschleuniger der Universität Mainz durchgeführt. Ferner wurde ein Pilot-Experiment mit einem polarisierten Deuteron-Target vorgenommen. Dieselbe Kollaboration führte 2003 ein auf das Deuteron ausgerichtetes Experiment durch mit der Absicht, die GDH-Summenregel für das Neutron zu untersuchen. Der in beiden Experimenten verwendete Aufbau erlaubt nicht nur die Messung des totalen Wirkungsquerschnitts, sondern auch gleichzeitig einzelne Teilreaktionen zu studieren. In dieser Arbeit werden die Daten des Deuteron-Pilot-Experiments von 1998 analysiert. Desweiteren wird eine Studie der Helizitätsabhängigkeit der differenziellen Wirkungsquerschnitte für drei Pion-Photoproduktionskanäle des Deuterons in der oberen Hälfte der Delta-Resonanz präsentiert. Diese Ergebnisse werden mit einem theoretischen Modell verglichen. Dabei wurde eine hinreichend gute Übereinstimmung für die unpolarisierten Reaktionen gefunden, während für die polarisierten Kanäle kleinere Diskrepanzen beobachtet wurden. Der Targetpolarisationsgrad ist einer der relevanten Parameter, der für eine absolute Normalisierung der Wirkungsquerschnitte notwendig ist. Die Analyse dieses Parameters für die 2003er Daten wird in der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Zur Zeit ist in Mainz ein Frozen-Spin-Target im Bau. Es wird als Target für polarisierte Protonen oder polarisierte Deuteronen für zukünftige Experimente mit dem Crystal Ball zur Verfügung stehen. Die Vorbereitungen der verschiedenen Subsysteme dieses Aufbaus stellten einen wichtigen Teil dieser Arbeit dar. Die fundamentalen Grundlagen der Methode und deren technische Umsetzung, sowie der momentane Status der Aufbauarbeiten am Target werden im Detail präsentiert.

Erste Untersuchungen zur Messung helizitätsabhängiger (gamma N)-Wirkungsquerschnitte für das GDH-Experiment am MAMI

Das experimentelle Studium der 1966 von Gerasimov, Drell undHearn unabhängig voneinander aufgestellten und als GDH-SummenregelbezeichnetenRelation macht die Vermessung totalerPhotoabsorptionswirkungsquerschnitte von zirkular polarisierten Photonen an longitudinalpolarisierten Nukleonen über einen weiten Energiebereich notwendig. Die im Sommer1998 erfolgte Messung am Mainzer Mikrotron stellt das erste derartigeExperiment mit reellen Photonen zur Messung des GDH-Integrals am Protondar. Die Verwendung eines Frozen-Spin-Butanoltargets, das eingesetzt wurde, umeinen möglichst hohen Proton-Polarisationsgrad zu erreichen, hat diezusätzliche experimentelle Schwierigkeit zur Folge, daß die imButanoltarget enthaltenen Kohlenstoffkerne ebenfalls Reaktionsprodukte liefern, diezusammen mit den am Proton erzeugten nachgewiesen werden.Ziel der Arbeit war die Bestimmung von Wirkungsquerschnittenam freien Proton aus Messungen an einem komplexen Target (CH2) wie esbeim polarisiertenTarget vorliegt. Die hierzu durchgeführten Pilotexperimentedienten neben der Entwicklung von Methoden zur Reaktionsidentifikation auchder Eichung des Detektorsystems. Durch die Reproduktion der schon bekanntenund vermessenen unpolarisierten differentiellen und totalenEin-Pion-Wirkungsquerschnitte am Proton (gamma p -> p pi0 und gamma p -> n pi+), die bis zueiner Photonenergievon etwa 400 MeV den Hauptbeitrag zum GDH-Integralausmachen, konnte gezeigt werden, daß eine Separation der Wasserstoff- vonKohlenstoffereignissen möglich ist. Die notwendigen Techniken hierzu wurden imRahmen dieser Arbeit zu einem allgemein nutzbaren Werkzeug entwickelt.Weiterhin konnte gezeigt werden, daß der vom Kohlenstoffstammende Anteil der Reaktionen keine Helizitätsabhängigkeit besitzt. Unterdieser Voraussetzung reduziert sich die Bestimmung der helizitätsabhängigenWirkungsquerschnittsdifferenz auf eine einfacheDifferenzbildung. Aus den erhaltenen Ergebnissen der intensiven Analyse von Daten, diemit einem unpolarisierten Target erhalten wurden, konnten so schnellerste Resultate für Messungen, die mit dem polarisierten Frozen-Spin-Targetaufgenommen wurden, geliefert werden. Es zeigt sich, daß sich dieseersten Resultate für polarisierte differentielle und totale (gammaN)-Wirkungsquerschnitte im Delta-Bereich in guter Übereinstimmung mit theoretischenAnalysen befinden.

Aufbau des Crystal-Ball-Detektorsystems und Untersuchung der Helizitätsasymmetrie in gamma p p pi 0 pi 0

Seit Frühjahr 2004 wird der Crystal Ball-Detektor am Photonenstrahl des Mainzer Mikrotrons für Koinzidenzexperimente zur Untersuchung der Struktur der Nukleonen genutzt. Aufbau und Inbetriebnahme des Kalorimeters, insbesondere der neuen Detektorelektronik, bilden einen Schwerpunkt dieser Arbeit. Komponenten wurden neu konstruiert oder auf ihre Verwendbarkeit geprüft und nögenfalls modifiziert. Nach erfolgreichem Abschluss der Aufbauphase wurden Experimente zur Produktion von $pi$- und $eta$-Mesonen am Proton mit mehr als 2500 Stunden Strahlbetrieb durchgeführt. Den zweiten Schwerpunkt der Dissertation bildet die erstmalige Messung der Helizitätsasymmetrie I$^odot$ in der Photoproduktion zweier neutraler Pionen. Zum Verstädnis des Anregungsspektrums der Nukleonen müssen Experimente mit polarisierten Photonen und/oder polarisierten Targets durchgeführt werden. Da Modelle trotz unterschiedlicher Annahmen unpolarisiert gemessene Größen vergleichbar gut reproduzieren, ist die Bestimmung der auf Modellunterschiede empfindlichen Polarisationsobservablen unumgäglich. Im Gegensatz zur Einpionproduktion tritt in der Zweipionproduktion eine Einfachpolarisationsobservable auf, die mit zirkular polarisierten Photonen am unpolarisierten Proton gemessen werden kann. Diese wurde in der Reaktion $gamma$ p $rightarrow$ p $pi^0$ $pi^0$ und in $gamma$ p $rightarrow$ p $pi^+$ $pi^-$ energie- und winkelabhägig bestimmt. Die Ergebnisse weichen stark von den Modellvorhersagen ab.

Helicity methods in LO and NLO QCD calculations

The goal of this thesis is the acceleration of numerical calculations of QCD observables, both at leading order and next–to–leading order in the coupling constant. In particular, the optimization of helicity and spin summation in the context of VEGAS Monte Carlo algorithms is investigated. In the literature, two such methods are mentioned but without detailed analyses. Only one of these methods can be used at next–to–leading order. This work presents a total of five different methods that replace the helicity sums with a Monte Carlo integration. This integration can be combined with the existing phase space integral, in the hope that this causes less overhead than the complete summation. For three of these methods, an extension to existing subtraction terms is developed which is required to enable next–to–leading order calculations. All methods are analyzed with respect to efficiency, accuracy, and ease of implementation before they are compared with each other. In this process, one method shows clear advantages in relation to all others.

Aufbau eines Moeller-Polarimeters für die Drei-Spektrometer-Anlage und Messung der Helizitätsasymmetrie in der Reaktion p(vec{e},e' p)pi 0 im Bereich der Delta-Resonanz

An der Drei-Spektrometer-Anlage am Beschleuniger MAMI wurde ein Elektronpolarimeter aufgebaut, das die longitudinale Spinpolarisation für Strahlenergien von 500-880 MeV bestimmt. Messprinzip ist die Møller-Streuung. Weiterhin wird ein Experiment zur Bestimmung der Strahlhelizitäts-Asymmetrie in resonanter Elektroproduktion neutraler Pionen am Proton vorgestellt. Diese Observable bietet Zugang zu nichtresonanten Untergrundamplituden in der Nukleon-Delta-Anregung, die im Hinblick auf die Extraktion der Quadrupolamplituden in diesem Übergang wichtig sind.

Parity violating asymmetry in the electron deuteron quasielastic scattering, strange vector and axial vector form factors and beam normal spin asymmetries

In dieser Arbeit wurde die paritätsverletzende Asymmetrie in derrnquasielastischen Elektron-Deuteron-Streuung bei Q^2=0.23 (GeV/c)^2 mitrneinem longitudinal polarisierten Elektronstrahl bei einer Energie von 315rnMeV bestimmt. Die Messung erfolgte unter Rückwärtswinkeln. Der Detektor überdeckte einen polaren Streuwinkelbereichrnzwischen 140 und 150 deg. Das Target bestand aus flüssigemrnDeuterium in einer Targetzelle mit einer Länge von 23.4 cm. Dierngemessene paritätsverletzende Asymmetrie beträgt A_{PV}^d = (-20.11 pm 0.87_{stat} pm 1.03_{syst}), wobei der erste Fehler den statistischenrnFehlereitrag und der zweite den systematischen Fehlerbeitrag beschreibt. Ausrnder Kombination dieser Messung mit Messungen der paritätsverletzendenrnAsymmetrie in der elastischen Elektron-Proton-Streuung bei gleichem Q^2rnsowohl bei Vorwärts- als auch bei Rückwärtsmessungen können diernVektor-Strange-Formfaktoren sowie der effektive isovektorielle und isoskalarernVektorstrom des Protons, der die elektroschwachen radiativen Anapolkorrekturenrnenthält, bestimmt werden. Diese Arbeit umfasst ausserdem die Bestimmungrnder Asymmetrien bei einem transversal polarisierten Elektronstrahl sowohl beirneinem Proton- als auch einem Deuterontarget unter Rückwärtswinkeln beirnImpulsüberträgen von Q^2=0.10 (GeV/c)^2, Q^2=0.23 (GeV/c)^2rnund Q^2=0.35 (GeV/c)^2. Die im Experiment beobachteten Asymmetrien werdenrnmit theoretischen Berechnungen verglichen, welche den Imaginärteil der Zweiphoton-Austauschamplitude beinhalten.

First doubly polarised photoproduction on 3 He at the photon beam of MAMI

Im Juli 2009 wurde am Mainzer Mikrotron (MAMI) erstmal ein Experiment durchgeführt, bei dem ein polarisiertes 3He Target mit Photonen im Energiebereich von 200 bis 800 MeV untersucht wurde. Das Ziel dieses Experiments war die Überprüfung der Gerasimov-Drell-Hearn Summenregel am Neutron. Die Verwendung der Messdaten welche mit dem polarisierten 3He Target gewonnen wurden, geben - im Vergleich mit den bereits existieren Daten vom Deuteron - aufgrund der Spin-Struktur des 3He einen komplementären und direkteren Zugang zum Neutron. Die Messung des totalen helizitätsabhängigen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitts wurde mittels eines energiemarkierten Strahls von zirkular polarisierten Photonen, welcher auf das longitudinal polarisierte 3He Target trifft, durchgeführt. Als Produktdetektoren kamen der Crystal Ball (4π Raumabdeckung), TAPS (als ”Vorwärtswand”) sowie ein Schwellen-Cherenkov-Detektor (online Veto zur Reduktion von elektromagnetischen Ereignissen) zum Einsatz. Planung und Aufbau der verschiedenen komponenten Teile des 3He Experimentaufbaus war ein entscheidender Teil dieser Dissertation und wird detailliert in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Das Detektorsystem als auch die Analyse-Methoden wurden durch die Messung des unpolarisierten, totalen und inklusiven Photoabsoprtions-Wirkungsquerschnitts an flüssigem Wasserstoff getestet. Hierbei zeigten die Ergebnisse eine gute Übereinstimmung mit bereits zuvor publizierten Daten. Vorläufige Ergebnisse des unpolarisierten totalen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitts sowie der helizitätsabhängige Unterschied zwischen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitten an 3He im Vergleich zu verschiedenen theoretischen Modellen werden vorgestellt.

Bestimmung des elektrischen Formfaktors des Neutrons G en in der Reaktion 3 He (e,e'n) bei einem Impulsübertrag Q 2 =0.67 (GeV/c) 2

In der Überprüfung von Kernmodellen stellt der elektrische Formfaktor des Neutrons Gen eine wichtige Eingangsgröße dar. Im Rahmen dieser Arbeit wurde am polarisierten Elektronenstrahl des Mainzer Mikrotrons MAMI der elektrische Formfaktor des Neutrons in der Reaktion 3He(e,e'n) bestimmt. Aus dem Verhältnis der Asymmetrien respektive der Helizitätsumkehr der Elektronenpolarisation mit Targetspin senkrecht und parallel zum Impulsübertrag konnte in einer integralen Analyse Gen bestimmt werden. Zusammengefasst ergab sich Gen(Q2=0.67 (GeV/c)2) = 0.0468 +- 0.0064(stat} +- 0.0027(syst}. Um den Einfluß von Kernbindungseffekten, die z. Zt. von der Gruppe um Prof. Glöckle in Bochum theoretisch gerechnet werden, auch experimentell abzusichern, wurden parallel zur Gen-Messung die Targetasymmetrie Ay0 3He(e,e'n) und Protonenasymmetrie 3He(e,e'p) bestimmt. Die Empfindlichkeit dieser Observablen auf FSI und D-Wellenbeiträge schafft Redundanzen, aus denen auf die Eigenschaften des freien Neutrons im gebundenen System geschlossen werden kann.

Untersuchung der Kernstruktur von 3 He mittels Polarisationsobservablen

Durch die Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Polarisationsfreiheitsgradernin der quasi-elastischen Elektronstreuung an $^3mathrm{He}$ zurnmessen, bietet sich ein neuer experimenteller Zugang zu kleinen, aber rnwichtigen Partialwellenbeiträgen ($S'$, $D$-Welle) desrn$^3mathrm{He}$-Grundzustands. Dies ermöglicht nicht nur ein tieferesrnVerständnis des Drei-Körper-Systems, sondern bietet auch diernMöglichkeit, Erkenntnisse über die $^3mathrm{He}$-Struktur undrnDynamik zu erlangen. Mit Hilfe dieser Informationen lassen sich abrninitio Rechnungen testen, sowie Korrekturen berechnen, die für anderernExperimente (z.B. Messung von $G_{en}$) benötigt werden. rnrnModerne Faddeev-Rechnungen liefern nicht nur eine quantitativernBeschreibung des $^3mathrm{He}$-Grundzustands, sondern geben auchrneinen Einblick in die sogenannten spinabhängigenrnImpulsverteilungen. Eine gründliche experimentelle Untersuchung ist in rndiesem Zusammenhang nötig, um eine solide Basis für die Üperprüfungrnder theoretische Modelle zu liefern. EinrnDreifach-Polarisationsexperiment liefert hier zum einen wichtigernDaten, zum anderen kann damit untersucht werden, ob mit der Methoderndes glqq Deuteron-Tagginggrqq polarisiertes $^3mathrm{He}$ alsrneffektives polarisiertes Protonentarget verwendet werden kann. rnrnDas hier vorgestellte Experiment kombiniert erstmals Strahl- undrnTargetpolarisation sowie die Messung der Polarisation des auslaufendenrnProtons. Das Experiment wurde im Sommer 2007 an derrnDrei-Spektrometer-Anlage der A1-Kollaboration an MAMI rndurchgeführt. Dabei wurde mit einer Strahlenergie vonrn$E=855,mathrm{MeV}$ bei $q^2=-0,14,(mathrm{GeV/c})^2$rn$(omega=0,13,mathrm{GeV}$, $q=0,4,mathrm{GeV/c})$ gemessen.rnrnDie bestimmten Wirkungsquerschnitte, sowie die Strahl-Target- und diernDreifach-Asymmetrie werden mit theoretischen Modellrechnungen vonrnJ. Golak (Plane Wave Impuls Approximation PWIA, sowie ein Modell mitrnEndzustandswechselwirkung) verglichen. Zudem wurde das Modell von dernForest verwendet, welches den Wirkungsquerschnitt über eine gemessenernSpektralfunktion berechnet. Der Vergleich mit den Modellrechnungenrnzeigt, dass sowohl der Wirkungsquerschnitt, als auch die Doppel- undrnDreifach-Asymmetrie gut mit den theoretischen Rechnungenrnübereinstimmen. rnrnDie Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen, dass polarisiertesrn$^3mathrm{He}$ nicht nur als polarisiertes Neutronentarget, sondernrndurch Nachweis des Deuterons ebenfalls als polarisiertesrnProtonentarget verwendet werden kann.

Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

Während der letzten Jahre wurde für Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erhöhter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für spinaufgelöste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfläche erhalten bleibt. Frühere Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfläche [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel größeren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel längere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfläche im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-“Landschaft” der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivität I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30◦ - 60◦ Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsauflösenden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und großem Gütefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 · I/I0. Diese Regionen eröffnen einen Weg für eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik für die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfläche in Bezug auf längere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgelösten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45◦ Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10× größerer Gütefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute Übereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])