Feasibility studies of the pp pi 0 e + e - electromagnetic channel at PANDA

Among all possible realizations of quark and antiquark assembly, the nucleon (the proton and the neutron) is the most stable of all hadrons and consequently has been the subject of intensive studies. Mass, shape, radius and more complex representations of its internal structure are measured since several decades using different probes. The proton (spin 1/2) is described by the electric GE and magnetic GM form factors which characterise its internal structure. The simplest way to measure the proton form factors consists in measuring the angular distribution of the electron-proton elastic scattering accessing the so-called Space-Like region where q2 < 0. Using the crossed channel antiproton proton <--> e+e-, one accesses another kinematical region, the so-called Time-Like region where q2 > 0. However, due to the antiproton proton <--> e+e- threshold q2th, only the kinematical domain q2 > q2th > 0 is available. To access the unphysical region, one may use the antiproton proton --> pi0 e+ e- reaction where the pi0 takes away a part of the system energy allowing q2 to be varied between q2th and almost 0. This thesis aims to show the feasibility of such measurements with the PANDA detector which will be installed on the new high intensity antiproton ring at the FAIR facility at Darmstadt. To describe the antiproton proton --> pi0 e+ e- reaction, a Lagrangian based approach is developed. The 5-fold differential cross section is determined and related to linear combinations of hadronic tensors. Under the assumption of one nucleon exchange, the hadronic tensors are expressed in terms of the 2 complex proton electromagnetic form factors. An extraction method which provides an access to the proton electromagnetic form factor ratio R = |GE|/|GM| and for the first time in an unpolarized experiment to the cosine of the phase difference is developed. Such measurements have never been performed in the unphysical region up to now. Extended simulations were performed to show how the ratio R and the cosine can be extracted from the positron angular distribution. Furthermore, a model is developed for the antiproton proton --> pi0 pi+ pi- background reaction considered as the most dangerous one. The background to signal cross section ratio was estimated under different cut combinations of the particle identification information from the different detectors and of the kinematic fits. The background contribution can be reduced to the percent level or even less. The corresponding signal efficiency ranges from a few % to 30%. The precision on the determination of the ratio R and of the cosine is determined using the expected counting rates via Monte Carlo method. A part of this thesis is also dedicated to more technical work with the study of the prototype of the electromagnetic calorimeter and the determination of its resolution.

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.

Abflusslose Senken – Instrumente in der Landschaftsanalyse und Indikatoren rezenter Krustenbewegungen

Innerhalb des Untersuchungsgebiets Schleswig-Holstein wurden 39.712 topographische Hohlformen detektiert. Genutzt wurden dazu ESRI ArcMap 9.3 und 10.0. Der Datenaufbereitung folgten weitere Kalkulationen in MATLAB R2010b. Jedes Objekt wurde räumlich mit seinen individuellen Eigenschaften verschnitten. Dazu gehörten Fläche, Umfang, Koordinaten (Zentroide), Tiefe und maximale Tiefe der Hohlform und Formfaktoren wie Rundheit, Konvexität und Elongation. Ziel der vorgestellten Methoden war die Beantwortung von drei Fragestellungen: Sind negative Landformen dazu geeignet Landschaftseinheiten und Eisvorstöße zu unterscheiden und zu bestimmen? Existiert eine Kopplung von Depressionen an der rezenten Topographie zu geologischen Tiefenstrukturen? Können Senken unterschiedlicher Entstehung anhand ihrer Formcharakteristik unterteilt werden? Die vorgenommene Klassifikation der großen Landschaftseinheiten basiert auf der Annahme, dass sowohl Jungmoränengebiete, ihre Vorflächen als auch Altmoränengebiete durch charakteristische, abflusslose Hohlformen, wie Toteislöcher, Seen, etc. abgegrenzt werden können. Normalerweise sind solche Depressionen in der Natur eher selten, werden jedoch für ehemalige Glaziallandschaften als typisch erachtet. Ziel war es, die geologischen Haupteinheiten, Eisvorstöße und Moränengebiete der letzten Vereisungen zu differenzieren. Zur Bearbeitung wurde ein Detektionsnetz verwendet, das auf quadratischen Zellen beruht. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die alleinige Nutzung von Depressionen zur Klassifizierung von Landschaftseinheiten Gesamtgenauigkeiten von bis zu 71,4% erreicht werden können. Das bedeutet, dass drei von vier Detektionszellen korrekt zugeordnet werden können. Jungmoränen, Altmoränen, periglazialeVorflächen und holozäne Bereiche können mit Hilfe der Hohlformen mit großer Sicherheit voneinander unterschieden und korrekt zugeordnet werden. Dies zeigt, dass für die jeweiligen Einheiten tatsächlich bestimmte Senkenformen typisch sind. Die im ersten Schritt detektierten Senken wurden räumlich mit weiterreichenden geologischen Informationen verschnitten, um zu untersuchen, inwieweit natürliche Depressionen nur glazial entstanden sind oder ob ihre Ausprägung auch mit tiefengeologischen Strukturen in Zusammenhang steht. 25.349 (63,88%) aller Senken sind kleiner als 10.000 m² und liegen in Jungmoränengebieten und können vermutlich auf glaziale und periglaziale Einflüsse zurückgeführt werden. 2.424 Depressionen liegen innerhalb der Gebiete subglazialer Rinnen. 1.529 detektierte Hohlformen liegen innerhalb von Subsidenzgebieten, von denen 1.033 innerhalb der Marschländer im Westen verortet sind. 919 große Strukturen über 1 km Größe entlang der Nordsee sind unter anderem besonders gut mit Kompaktionsbereichen elsterzeitlicher Rinnen zu homologisieren.344 dieser Hohlformen sind zudem mit Tunneltälern im Untergrund assoziiert. Diese Parallelität von Depressionen und den teils über 100 m tiefen Tunneltälern kann auf Sedimentkompaktion zurückgeführt werden. Ein Zusammenhang mit der Zersetzung postglazialen, organischen Materials ist ebenfalls denkbar. Darüber hinaus wurden in einer Distanz von 10 km um die miozän aktiven Flanken des Glückstadt-Grabens negative Landformen detektiert, die Verbindungen zu oberflächennahen Störungsstrukturen zeigen. Dies ist ein Anzeichen für Grabenaktivität während und gegen Ende der Vereisung und während des Holozäns. Viele dieser störungsbezogenen Senken sind auch mit Tunneltälern assoziiert. Entsprechend werden drei zusammenspielende Prozesse identifiziert, die mit der Entstehung der Hohlformen in Verbindung gebracht werden können. Eine mögliche Interpretation ist, dass die östliche Flanke des Glückstadt-Grabens auf die Auflast des elsterzeitlichen Eisschilds reagierte, während sich subglazial zeitgleich Entwässerungsrinnen entlang der Schwächezonen ausbildeten. Diese wurden in den Warmzeiten größtenteils durch Torf und unverfestigte Sedimente verfüllt. Die Gletschervorstöße der späten Weichselzeit aktivierten erneut die Flanken und zusätzlich wurde das Lockermaterial exariert, wodurch große Seen, wie z. B. der Große Plöner See entstanden sind. Insgesamt konnten 29 große Depressionen größer oder gleich 5 km in Schleswig-Holstein identifiziert werden, die zumindest teilweise mit Beckensubsidenz und Aktivität der Grabenflanken verbunden sind, bzw. sogar auf diese zurückgehen.Die letzte Teilstudie befasste sich mit der Differenzierung von Senken nach deren potentieller Genese sowie der Unterscheidung natürlicher von künstlichen Hohlformen. Dazu wurde ein DEM für einen Bereich im Norden Niedersachsens verwendet, das eine Gesamtgröße von 252 km² abdeckt. Die Ergebnisse zeigen, dass glazial entstandene Depressionen gute Rundheitswerte aufweisen und auch Elongation und Exzentrizität eher kompakte Formen anzeigen. Lineare negative Strukturen sind oft Flüsse oder Altarme. Sie können als holozäne Strukturen identifiziert werden. Im Gegensatz zu den potentiell natürlichen Senkenformen sind künstlich geschaffene Depressionen eher eckig oder ungleichmäßig und tendieren meist nicht zu kompakten Formen. Drei Hauptklassen topographischer Depressionen konnten identifiziert und voneinander abgegrenzt werden: Potentiell glaziale Senken (Toteisformen), Flüsse, Seiten- und Altarme sowie künstliche Senken. Die Methode der Senkenklassifikation nach Formparametern ist ein sinnvolles Instrument, um verschiedene Typen unterscheiden zu können und um bei geologischen Fragestellungen künstliche Senken bereits vor der Verarbeitung auszuschließen. Jedoch zeigte sich, dass die Ergebnisse im Wesentlichen von der Auflösung des entsprechenden Höhenmodells abhängen.

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

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.