Nucleon electromagnetic structure studies in the spacelike and timelike regions

The thesis investigates the nucleon structure probed by the electromagnetic interaction. One of the most basic observables, reflecting the electromagnetic structure of the nucleon, are the form factors, which have been studied by means of elastic electron-proton scattering with ever increasing precision for several decades. In the timelike region, corresponding with the proton-antiproton annihilation into a electron-positron pair, the present experimental information is much less accurate. However, in the near future high-precision form factor measurements are planned. About 50 years after the first pioneering measurements of the electromagnetic form factors, polarization experiments stirred up the field since the results were found to be in striking contradiction to the findings of previous form factor investigations from unpolarized measurements. Triggered by the conflicting results, a whole new field studying the influence of two-photon exchange corrections to elastic electron-proton scattering emerged, which appeared as the most likely explanation of the discrepancy. The main part of this thesis deals with theoretical studies of two-photon exchange, which is investigated particularly with regard to form factor measurements in the spacelike as well as in the timelike region. An extraction of the two-photon amplitudes in the spacelike region through a combined analysis using the results of unpolarized cross section measurements and polarization experiments is presented. Furthermore, predictions of the two-photon exchange effects on the e+p/e-p cross section ratio are given for several new experiments, which are currently ongoing. The two-photon exchange corrections are also investigated in the timelike region in the process pbar{p} -> e+ e- by means of two factorization approaches. These corrections are found to be smaller than those obtained for the spacelike scattering process. The influence of the two-photon exchange corrections on cross section measurements as well as asymmetries, which allow a direct access of the two-photon exchange contribution, is discussed. Furthermore, one of the factorization approaches is applied for investigating the two-boson exchange effects in parity-violating electron-proton scattering. In the last part of the underlying work, the process pbar{p} -> pi0 e+e- is analyzed with the aim of determining the form factors in the so-called unphysical, timelike region below the two-nucleon production threshold. For this purpose, a phenomenological model is used, which provides a good description of the available data of the real photoproduction process pbar{p} -> pi0 gamma.

Individual plasmonic nanogaps : controlled assembly and detailed investigation

Diese Arbeit befasst sich mit den optischen Resonanzen metallischer Nanopartikel im Abstand weniger Nanometer von einer metallischen Grenzfläche. Die elektromagnetische Wechselwirkung dieser „Kugel-vor-Fläche“ Geometrie ruft interessante optische Phänomene hervor. Sie erzeugt eine spezielle elektromagnetische Eigenmode, auch Spaltmode genannt, die im Wesentlichen auf den Nanospalt zwi-schen Kugel und Oberfläche lokalisiert ist. In der quasistatischen Näherung hängt die Resonanzposition nur vom Material, der Umgebung, dem Film-Kugel Abstand und dem Kugelradius selbst ab. Theoretische Berechnungen sagen für diese Region unter Resonanzbedingungen eine große Verstärkung des elektro-magnetischen Feldes voraus. rnUm die optischen Eigenschaften dieser Systeme zu untersuchen, wurde ein effizienter plasmonenver-mittelnder Dunkelfeldmodus für die konfokale Rastermikroskopie durch dünne Metallfilme entwickelt, der die Verstärkung durch Oberflächenplasmonen sowohl im Anregungs- als auch Emissionsprozess ausnutzt. Dadurch sind hochwertige Dunkelfeldaufnahmen durch die Metallfilme der Kugel-vor-Fläche Systeme garantiert, und die Spektroskopie einzelner Resonatoren wird erleichtert. Die optischen Untersuchungen werden durch eine Kombination von Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie vervollständigt, so dass die Form und Größe der untersuchten Resonatoren in allen drei Dimensionen bestimmt und mit den optischen Resonanzen korreliert werden können. Die Leistungsfähigkeit des neu entwickelten Modus wird für ein Referenzsystem aus Polystyrol-Kugeln auf einem Goldfilm demonstriert. Hierbei zeigen Partikel gleicher Größe auch die erwartete identische Resonanz.rnFür ein aus Gold bestehendes Kugel-vor-Fläche System, bei dem der Spalt durch eine selbstorganisierte Monolage von 2-Aminoethanthiol erzeugt wird, werden die Resonanzen von Goldpartikeln, die durch Reduktion mit Chlorgoldsäure erzeugt wurden, mit denen von idealen Goldkugeln verglichen. Diese ent-stehen aus den herkömmlichen Goldpartikeln durch zusätzliche Bestrahlung mit einem Pikosekunden Nd:Yag Laser. Bei den unbestrahlten Partikeln mit ihrer Unzahl an verschiedenen Formen zeigen nur ein Drittel der untersuchten Resonatoren ein Verhalten, das von der Theorie vorhergesagt wird, ohne das dies mit ihrer Form oder Größe korrelieren würde. Im Fall der bestrahlten Goldkugeln tritt eine spürbare Verbesserung ein, bei dem alle Resonatoren mit den theoretischen Rechnungen übereinstimmen. Eine Änderung der Oberflächenrauheit des Films zeigt hingegen keinen Einfluß auf die Resonanzen. Obwohl durch die Kombination von Goldkugeln und sehr glatten Metallfilmen eine sehr definierte Probengeometrie geschaffen wurde, sind die experimentell bestimmten Linienbreiten der Resonanzen immer noch wesentlich größer als die berechneten. Die Streuung der Daten, selbst für diese Proben, deutet auf weitere Faktoren hin, die die Spaltmoden beeinflußen, wie z.B. die genaue Form des Spalts. rnDie mit den Nanospalten verbundenen hohen Feldverstärkungen werden untersucht, indem ein mit Farbstoff beladenes Polyphenylen-Dendrimer in den Spalt eines aus Silber bestehenden Kugel-vor-Fläche Systems gebracht wird. Das Dendrimer in der Schale besteht lediglich aus Phenyl-Phenyl Bindungen und garantiert durch die damit einhergende Starrheit des Moleküls eine überragende Formstabiliät, ohne gleichzeitig optisch aktiv zu sein. Die 16 Dithiolan Endgruppen sorgen gleichzeitig für die notwendige Affinität zum Silber. Dadurch kann der im Inneren befindliche Farbstoff mit einer Präzision von wenigen Nanometern im Spalt zwischen den Metallstrukturen platziert werden. Der gewählte Perylen Farbstoff zeichnet sich wiederum durch hohe Photostabilität und Fluoreszenz-Quantenausbeute aus. Für alle untersuchten Partikel wird ein starkes Fluoreszenzsignal gefunden, das mindestens 1000-mal stärker ist, als das des mit Farbstoff überzogenen Metallfilms. Das Profil des Fluoreszenz-Anregungsspektrums variiert zwischen den Partikeln und zeigt im Vergleich zum freien Farbstoff eine zusätzliche Emission bei höheren Frequenzen, was in der Literatur als „hot luminescence“ bezeichnet wird. Bei der Untersuchung des Streuverhaltens der Resonatoren können wieder zwei unterschiedliche Arten von Resonatoren un-terschieden werden. Es gibt zunächst die Fälle, die bis auf die beschriebene Linienverbreiterung mit einer idealen Kugel-vor-Fläche Geometrie übereinstimmen und dann andere, die davon stark abweichen. Die Veränderungen der Fluoreszenz-Anregungsspektren für den gebundenen Farbstoffs weisen auf physikalische Mechanismen hin, die bei diesen kleinen Metall/Farbstoff Abständen eine Rolle spielen und die über eine einfache wellenlängenabhängige Verstärkung hinausgehen.

Theoretical analysis of hidden photon searches in high-precision experiments

Although the Standard Model of particle physics (SM) provides an extremely successful description of the ordinary matter, one knows from astronomical observations that it accounts only for around 5% of the total energy density of the Universe, whereas around 30% are contributed by the dark matter. Motivated by anomalies in cosmic ray observations and by attempts to solve questions of the SM like the (g-2)_mu discrepancy, proposed U(1) extensions of the SM gauge group have raised attention in recent years. In the considered U(1) extensions a new, light messenger particle, the hidden photon, couples to the hidden sector as well as to the electromagnetic current of the SM by kinetic mixing. This allows for a search for this particle in laboratory experiments exploring the electromagnetic interaction. Various experimental programs have been started to search for hidden photons, such as in electron-scattering experiments, which are a versatile tool to explore various physics phenomena. One approach is the dedicated search in fixed-target experiments at modest energies as performed at MAMI or at JLAB. In these experiments the scattering of an electron beam off a hadronic target e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is investigated and a search for a very narrow resonance in the invariant mass distribution of the lepton pair is performed. This requires an accurate understanding of the theoretical basis of the underlying processes. For this purpose it is demonstrated in the first part of this work, in which way the hidden photon can be motivated from existing puzzles encountered at the precision frontier of the SM. The main part of this thesis deals with the analysis of the theoretical framework for electron scattering fixed-target experiments searching for hidden photons. As a first step, the cross section for the bremsstrahlung emission of hidden photons in such experiments is studied. Based on these results, the applicability of the Weizsäcker-Williams approximation to calculate the signal cross section of the process, which is widely used to design such experimental setups, is investigated. In a next step, the reaction e+(A,Z)->e+(A,Z)+l^+l^- is analyzed as signal and background process in order to describe existing data obtained by the A1 experiment at MAMI with the aim to give accurate predictions of exclusion limits for the hidden photon parameter space. Finally, the derived methods are used to find predictions for future experiments, e.g., at MESA or at JLAB, allowing for a comprehensive study of the discovery potential of the complementary experiments. In the last part, a feasibility study for probing the hidden photon model by rare kaon decays is performed. For this purpose, invisible as well as visible decays of the hidden photon are considered within different classes of models. This allows one to find bounds for the parameter space from existing data and to estimate the reach of future experiments.

Study of electromagnetic reactions on light nuclei with the Lorentz Integral Transform method

In dieser Arbeit aus dem Bereich der Wenig-Nukleonen-Physik wird die neu entwickelte Methode der Lorentz Integral Transformation (LIT) auf die Untersuchung von Kernphotoabsorption und Elektronenstreuung an leichten Kernen angewendet. Die LIT-Methode ermoeglicht exakte Rechnungen durchzufuehren, ohne explizite Bestimmung der Endzustaende im Kontinuum. Das Problem wird auf die Loesung einer bindungzustandsaehnlichen Gleichung reduziert, bei der die Endzustandswechselwirkung vollstaendig beruecksichtigt wird. Die Loesung der LIT-Gleichung wird mit Hilfe einer Entwicklung nach hypersphaerischen harmonischen Funktionen durchgefuehrt, deren Konvergenz durch Anwendung einer effektiven Wechselwirkung im Rahmem des hypersphaerischen Formalismus (EIHH) beschleunigt wird. In dieser Arbeit wird die erste mikroskopische Berechnung des totalen Wirkungsquerschnittes fuer Photoabsorption unterhalb der Pionproduktionsschwelle an 6Li, 6He und 7Li vorgestellt. Die Rechnungen werden mit zentralen semirealistischen NN-Wechselwirkungen durchgefuehrt, die die Tensor Kraft teilweise simulieren, da die Bindungsenergien von Deuteron und von Drei-Teilchen-Kernen richtig reproduziert werden. Der Wirkungsquerschnitt fur Photoabsorption an 6Li zeigt nur eine Dipol-Riesenresonanz, waehrend 6He zwei unterschiedliche Piks aufweist, die dem Aufbruch vom Halo und vom Alpha-Core entsprechen. Der Vergleich mit experimentellen Daten zeigt, dass die Addition einer P-Wellen-Wechselwirkung die Uebereinstimmung wesentlich verbessert. Bei 7Li wird nur eine Dipol-Riesenresonanz gefunden, die gut mit den verfuegbaren experimentellen Daten uebereinstimmt. Bezueglich der Elektronenstreuung wird die Berechnung der longitudinalen und transversalen Antwortfunktionen von 4He im quasi-elastischen Bereich fuer mittlere Werte des Impulsuebertrages dargestellt. Fuer die Ladungs- und Stromoperatoren wird ein nichtrelativistisches Modell verwendet. Die Rechnungen sind mit semirealistischen Wechselwirkungen durchgefuert und ein eichinvarianter Strom wird durch die Einfuehrung eines Mesonaustauschstroms gewonnen. Die Wirkung des Zweiteilchenstroms auf die transversalen Antwortfunktionen wird untersucht. Vorlaeufige Ergebnisse werden gezeigt und mit den verfuegbaren experimentellen Daten verglichen.