Nuclear matter at a HIRFL-CSR energy regime

We report some recent progress in constraining the symmetry energy E-sym(rho) at high densities using high-energy heavy-ion collisions. Circumstantial evidence of a soft E-sym(rho) at supra-saturation density is obtained by comparing the pion ratio pi(-)/pi(+) measured recently with FOPI at GSI and the IBUU04 model calculations. Detailed studies indicate that the power of determining the E-sym(rho)from pi(-)/pi(+) is enhanced with decreasing the beam energy to near the pion production threshold, showing a correlation to the increasing nuclear stopping. Among several heavy-ion reaction facilities in the world, the cooling storage ring (HIRFL-CSR), newly commissioned at Lanzhou, delivering heavy-ion beams up to 1 A GeV, to be coupled with advanced detectors will contribute significantly to further studies of the equation of state of asymmetric nuclear matter.

Single and double pi(-)/pi(+) ratios in heavy-ion reactions as probes of the high-density behavior of the nuclear symmetry energy

Based on the isospin- and momentum-dependent hadronic transport model IBUU04, effects of the nuclear symmetry energy on the single and double pi(-)/pi(+) ratios in central reactions of Sn-132+Sn-124 and Sn-112+Sn-112 at a beam energy of 400 MeV/nucleon are studied. It is found that around the Coulomb peak of the single pi(-)/pi(+) ratio the double pi(-)/pi(+) ratio taken from the two isotopic reactions retains about the same sensitivity to the density dependence of nuclear symmetry energy. Because the double pi(-)/pi(+) ratio can significantly reduce the systematic errors, it is thus a more effective probe for the high-density behavior of the nuclear symmetry energy.

Medium effects on pi(-)/pi(+) in heavy-ion collisions at intermediate energies

Based on the isospin-dependent transport model IBUU and on the scaling model according to nucleon effective mass, effects of elastic and inelastic NN scattering cross-sections on pi(-)/pi(+) in the neutron-rich reaction Ca-48 + Ca-48 at a beam energy of 400MeV/nucleon are studied. It is found that cross-section effects of both NN elastic and inelastic scatterings affect Delta(1232), pi(-) and pi(+) productions as well as the value of pi(-)/pi(+).

Two and three nucleon induced photon absorption

We have investigated the mechanisms leading to two and three body photon absorption in nuclei. At photon energies around the pion production threshold we obtain a fraction of three body absorption of less than 10% of the total, contradicting previous theoretical claims that it dominates the absorption process. The strength of the three body channel grows smoothly with the photon energy reaching a maximum of about 60% of the total direct absorption at energies of the photon around 400 MeV.

Interação nucleon-nucleon devida à troca de três píons e produção de um píon devida à troca de dois píons

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dispersion approach to real and virtual Compton scattering

In recent years, new precision experiments have become possible withthe high luminosity accelerator facilities at MAMIand JLab, supplyingphysicists with precision data sets for different hadronic reactions inthe intermediate energy region, such as pion photo- andelectroproduction and real and virtual Compton scattering.By means of the low energy theorem (LET), the global properties of thenucleon (its mass, charge, and magnetic moment) can be separated fromthe effects of the internal structure of the nucleon, which areeffectively described by polarizabilities. Thepolarizabilities quantify the deformation of the charge andmagnetization densities inside the nucleon in an applied quasistaticelectromagnetic field. The present work is dedicated to develop atool for theextraction of the polarizabilities from these precise Compton data withminimum model dependence, making use of the detailed knowledge of pionphotoproduction by means of dispersion relations (DR). Due to thepresence of t-channel poles, the dispersion integrals for two ofthe six Compton amplitudes diverge. Therefore, we have suggested to subtract the s-channel dispersion integrals at zero photon energy($nu=0$). The subtraction functions at $nu=0$ are calculated through DRin the momentum transfer t at fixed $nu=0$, subtracted at t=0. For this calculation, we use the information about the t-channel process, $gammagammatopipito Nbar{N}$. In this way, four of thepolarizabilities can be predicted using the unsubtracted DR in the $s$-channel. The other two, $alpha-beta$ and $gamma_pi$, are free parameters in ourformalism and can be obtained from a fit to the Compton data.We present the results for unpolarized and polarized RCS observables,%in the kinematics of the most recent experiments, and indicate anenhanced sensitivity to the nucleon polarizabilities in theenergy range between pion production threshold and the $Delta(1232)$-resonance.newlineindentFurthermore,we extend the DR formalism to virtual Compton scattering (radiativeelectron scattering off the nucleon), in which the concept of thepolarizabilities is generalized to the case of avirtual initial photon by introducing six generalizedpolarizabilities (GPs). Our formalism provides predictions for the fourspin GPs, while the two scalar GPs $alpha(Q^2)$ and $beta(Q^2)$ have to befitted to the experimental data at each value of $Q^2$.We show that at energies betweenpion threshold and the $Delta(1232)$-resonance position, thesensitivity to the GPs can be increased significantly, as compared tolow energies, where the LEX is applicable. Our DR formalism can be used for analysing VCS experiments over a widerange of energy and virtuality $Q^2$, which allows one to extract theGPs from VCS data in different kinematics with a minimum of model dependence.

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.

Pi +-Elektroproduktion an der Schwelle

Die Messung der Elektroproduktion geladener Pionen in der Nähe der Produktionsschwelle ermöglicht die Bestimmung des axialen Formfaktors des Nukleons G_A(Q²) und aus seinem Verlauf die Extraktion der axialen Masse M_A. Diese Größe kann im Rahmen der chiralen Störungstheorie vorhergesagt werden, so daß ihre experimentelle Bestimmung eine Überprüfung der theoretischen Beschreibung des Nukleons erlaubt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die bereits am Institut für Kernphysik der Universität Mainz in der A1-Kollaboration durchgeführten Messungen der Reaktion H(e,e'Pi+)n bei einer Schwerpunktsenergie von W = 1125 MeV und einem Vierer- impulsübertrag Q² von 0.117, 0.195 und 0.273 (GeV/c)² durch eine weitere Messung bei Q² = 0.058 (GeV/c)² ergänzt. In einer zweiten Meßperiode wurden zusätzlich die Messungen für die Q²-Werte von 0.117 und 0.195 (GeV/c)² wiederholt. Für alle Q²-Werte wurden Daten bei mindestens drei verschiedenen Werten der Polarisation des virtuellen Photons genommen, so daß für alle Messungen eine Rosenbluthseparation durchgeführt werden konnte, um den transversalen und den longitudinalen Anteil des Wirkungsquerschnitts zu bestimmen. Das Ergebnis für Q² = 0.195 (GeV/c)² stimmt im Rahmen der Fehler mit dem alten Ergebnis überein, für Q² = 0.117 (GeV/c)² ergibt sich eine deutliche Abweichung des longitudinalen Anteils. Das Ergebnis für Q² = 0.058 (GeV/c)² liegt unter der aus den alten Messungen gewonnenen Vorhersage. Der induzierte pseudoskalare Formfaktor des Nukleons G_P(Q²) kann ebenfalls in der Pionelektroproduktion bestimmt werden, wenn die Messung bei einer Schwerpunktsenergie nur wenige MeV über der Produktionsschwelle stattfindet. Eine solche Messung erfordert den Nachweis von Pionen mit kinetischen Energien unter 35 MeV, für den die in der A1-Kollaboration vorhandenen Spektrometer nicht geeignet sind. Im apparativen Teil der Arbeit wurde daher ein Szintillatorhodoskop für ein dediziertes Pionspektrometer mit kurzer Weglänge gebaut und getestet. Außerdem wurden für dieses sogenannte Short-Orbit-Spektrometer drei Kollimatoren entworfen und eingebaut.

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.

Elektromagnetische Pionproduktion in manifest Lorentz-invarianter baryonischer chiraler Störungstheorie

In dieser Arbeit wurde die elektromagnetische Pionproduktion unter der Annahme der Isospinsymmetrie der starken Wechselwirkung im Rahmen der manifest Lorentz-invarianten chiralen Störungstheorie in einer Einschleifenrechnung bis zur Ordnung vier untersucht. Dazu wurden auf der Grundlage des Mathematica-Pakets FeynCalc Algorithmen zur Berechnung der Pionproduktionsamplitude entwickelt. Bis einschließlich der Ordnung vier tragen insgesamt 105 Feynmandiagramme bei, die sich in 20 Baumdiagramme und 85 Schleifendiagramme unterteilen lassen. Von den 20 Baumdiagrammen wiederum sind 16 als Polterme und vier als Kontaktgraphen zu klassifizieren; bei den Schleifendiagrammen tragen 50 Diagramme ab der dritten Ordnung und 35 Diagramme ab der vierten Ordnung bei. In der Einphotonaustauschnäherung lässt sich die Pionproduktionsamplitude als ein Produkt des Polarisationsvektors des (virtuellen) Photons und des Übergangsstrommatrixelements parametrisieren, wobei letzteres alle Abhängigkeiten der starken Wechselwirkung beinhaltet und wo somit die chirale Störungstheorie ihren Eingang findet. Der Polarisationsvektor hingegen hängt von dem leptonischen Vertex und dem Photonpropagator ab und ist aus der QED bekannt. Weiterhin lässt sich das Übergangsstrommatrixelement in sechs eichinvariante Amplituden zerlegen, die sich im Rahmen der Isospinsymmetrie jeweils wiederum in drei Isospinamplituden zerlegen lassen. Linearkombinationen dieser Isospinamplituden erlauben letztlich die Beschreibung der physikalischen Amplituden. Die in dieser Rechnung auftretenden Einschleifenintegrale wurden numerisch mittels des Programms LoopTools berechnet. Im Fall tensorieller Integrale erfolgte zunächst eine Zerlegung gemäß der Methode von Passarino und Veltman. Da die somit erhaltenen Ergebnisse jedoch i.a. noch nicht das chirale Zählschema erfüllen, wurde die entsprechende Renormierung mittels der reformulierten Infrarotregularisierung vorgenommen. Zu diesem Zweck wurde ein Verfahren entwickelt, welches die Abzugsterme automatisiert bestimmt. Die schließlich erhaltenen Isospinamplituden wurden in das Programm MAID eingebaut. In diesem Programm wurden als Test (Ergebnisse bis Ordnung drei) die s-Wellenmultipole E_{0+} und L_{0+} in der Schwellenregion berechnet. Die Ergebnisse wurden sowohl mit Messdaten als auch mit den Resultaten des "klassischen" MAID verglichen, wobei sich i. a. gute Übereinstimmungen im Rahmen der Fehler ergaben.

Charged-current inclusive neutrino cross sections in the SuperScaling model

SuperScaling model (SuSA) predictions to neutrino-induced charged-current pi(+) production in the Delta-resonance region are explored under MiniBooNE experimental conditions. The SuSA charged-current pi(+) results are in good agreement with data on neutrino flux-averaged double-differential cross sections. The SuSA model for quasielastic scattering and its extension to the pion production region are used for predictions of charged-current inclusive neutrino-nucleus cross sections. Results are also compared with the T2K experimental data for inclusive scattering.

Neutral pion and eta meson production in proton-proton collisions at root s=0.9 TeV and root s=7 TeV

The first measurements of the invariant differential cross sections of inclusive pi(0) and eta meson production at mid-rapidity in proton-proton collisions root s = 0.9 TeV and root s = 7 TeV are reported. The pi(0) measurement covers the ranges 0.4 < p(T) < 7 GeV/c and 0.3 < p(T) < 25 GeV/c for these two energies, respectively. The production of eta mesons was measured at root s = 7 TeV in the range 0.4 < p(T) < 15 GeV/c. Next-to-Leading Order perturbative QCD calculations, which are consistent with the pi(0) spectrum at root s = 0.9 TeV, overestimate those of pi(0) and eta mesons at root s = 7 TeV, but agree with the measured eta/pi(0) ratio at root s = 7 TeV. (C) 2012 CERN. Published by Elsevier B.V. All rights reserved.

Pion, Kaon, and Proton Production in Central Pb-Pb Collisions at root s(NN)=2.76 TeV

In this Letter we report the first results on pi(+/-), K-+/-, p, and (p) over bar production at midrapidity (vertical bar y vertical bar < 0.5) in central Pb-Pb collisions at root s(NN) = 2.76 TeV, measured by the ALICE experiment at the LHC. The p(T) distributions and yields are compared to previous results at root s(NN) = 200 GeV and expectations from hydrodynamic and thermal models. The spectral shapes indicate a strong increase of the radial flow velocity with root s(NN), which in hydrodynamic models is expected as a consequence of the increasing particle density. While the K/pi ratio is in line with predictions from the thermal model, the p/pi ratio is found to be lower by a factor of about 1.5. This deviation from thermal model expectations is still to be understood.

Reggeization of some unequal mass processes involving higher spins : the reactions pion-nucleon going to (V,Nucleon), pion-nucleon going to (V,delta-hyperon), and photon-proton going to (positive pion,neutron)

Recent theoretical developments in the reggeization of inelastic processes involving particles with high spin are incorporated into a model of vector meson production. A number of features of experimental differential cross sections and density matrices are interpreted in terms of this model.

The method chosen for reggeization of helicity amplitudes first separates kinematic zeros and singularities from the parity-conserving amplitudes and then applies results of Freedman and Wang on daughter trajectories to the remaining factors. Kinematic constraints on helicity amplitudes at t = 0 and t = (M – M_Δ)² are also considered.

It is found that data for reactions of types πN→VN and πN→VΔ are consistent with a model of this type in which all kinematic constraints at t = 0 are satisfied by evasion (vanishing of residue functions). As a quantitative test of the parametrization, experimental differential cross sections of vector meson production reactions dominated by pion trajectory exchange are compared with the theory. It is found that reduced residue functions are approximately constant, once the kinematic behavior near t = (M – M_Δ)² has been removed.

The alternative possibility of conspiracy between amplitudes is also discussed; and it is shown that unless conspiracy is present, some amplitudes allowed by angular momentum conservation will not contribute with full strength in the forward direction. An example, γp→π⁺n in which the data for dσ/dt indicate conspiracy, is studied in detail.

Photoproduction of charged pion pairs from hydrogen at photon energies between 800 and 1500 MeV

The reaction γ + p p + π⁺ + π^- has been studied for photon energies between 800 and 1500 MeV and for dipion masses between 510 and 900 MeV. The bremsstrahlung beam from the Caltech synchrotron was passed through a liquid hydrogen target and spark chambers were used to detect the three final particles. In addition, the proton energy was determined by a range measurement. Approximately 40,000 photographs were taken, yielding 3018 acceptable events. The results were fit to an incoherent combination of the N*(1238) resonance, the p^o (750) resonance, and three-body phase space, with various models being tried for p^o production. The total cross section for p^o production is consistent with previous experiments. However, the angular dependence of the cross section is slightly more peaked in the forward direction, and the ratio of p^o production to phase space production is larger than previously observed.

However, since this experiment was only sensitive to the production angles cos θ cm ≥ .75, statistical fluctuations and/or an anisotropic distribution of background production have a severe influence on the p^o to background ratio. Of the p^o models tested, the results prefer p^o production by the one pion exchange mechanism with a very steep form factor dependence. The values of the mass and width of the p^o found here are consistent with previous experiments.