Stopping power and depth dose profile of H+ and He+ ion beams in hydroxyapatite thin films.

Hadron therapy is a promising technique to treat deep-seated tumors. For an accurate treatment planning, the energy deposition in the soft and hard human tissue must be well known. Water has been usually employed as a phantom of soft tissues, but other biomaterials, such as hydroxyapatite (HAp), used as bone substitute, are also relevant as a phantom for hard tissues. The stopping power of HAp for H+ and He+ beams has been studied experimentally and theoretically. The measurements have been done using the Rutherford backscattering technique in an energy range of 450-2000 keV for H+ and of 400-5000 keV for He+ projectiles. The theoretical calculations are based in the dielectric formulation together with the MELF-GOS (Mermin Energy-Loss Function – Generalized Oscillator Strengths) method [1] to describe the target excitation spectrum. A quite good agreement between the experimental data and the theoretical results has been found. The depth dose profile of H+ and He+ ion beams in HAp has been simulated by the SEICS (Simulation of Energetic Ions and Clusters through Solids) code [2], which incorporates the electronic stopping force due to the energy loss by collisions with the target electrons, including fluctuations due to the energy-loss straggling, the multiple elastic scattering with the target nuclei, with their corresponding nuclear energy loss, and the dynamical charge-exchange processes in the projectile charge state. The energy deposition by H+ and He+ as a function of the depth are compared, at several projectile energies, for HAp and liquid water, showing important differences.

Study of reactions induced by 6He on 9Be

We present the results of experiments using a 6He beam on a 9Be target at energies 7 − 9 times the Coulomb barrier. Angular distributions of the elastic, inelastic scattering (target breakup) and the -particle production in the 6He+9Be collision have been analysed. Total reaction cross sections were obtained from the elastic scattering analyses and a considerable enhancement has been observed by comparing to stable systems.

Entwicklung einer Fokalebenen-Driftkammer für niederenergetische Pionen und experimentelle Bestimmung einer inversen Transfermatrix für das Short-Orbit-Spektrometer

Die Drei-Spektrometer-Anlage am Mainzer Institut für Kernphysik wurde um ein zusätzliches Spektrometer ergänzt, welches sich durch seine kurze Baulänge auszeichnet und deshalb Short-Orbit-Spektrometer (SOS) genannt wird. Beim nominellen Abstand des SOS vom Target (66 cm) legen die nachzuweisenden Teilchen zwischen Reaktionsort und Detektor eine mittlere Bahnlänge von 165 cm zurück. Für die schwellennahe Pionproduktion erhöht sich dadurch im Vergleich zu den großen Spektrometern die Überlebenswahrscheinlichkeit geladener Pionen mit Impuls 100 MeV/c von 15% auf 73%. Demzufolge verringert sich der systematische Fehler ("Myon-Kontamination"), etwa bei der geplanten Messung der schwachen Formfaktoren G_A(Q²) und G_P(Q²), signifikant. Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bildet die Driftkammer des SOS. Ihre niedrige Massenbelegung (0,03% X_0) zur Reduzierung der Kleinwinkelstreuung ist auf den Nachweis niederenergetischer Pionen hin optimiert. Aufgrund der neuartigen Geometrie des Detektors musste eine eigene Software zur Spurrekonstruktion, Effizienzbestimmung etc. entwickelt werden. Eine komfortable Möglichkeit zur Eichung der Driftweg-Driftzeit-Relation, die durch kubische Splines dargestellt wird, wurde implementiert. Das Auflösungsvermögen des Spurdetektors liegt in der dispersiven Ebene bei 76 µm für die Orts- und 0,23° für die Winkelkoordinate (wahrscheinlichster Fehler) sowie entsprechend in der nicht-dispersiven Ebene bei 110 µm bzw. 0,29°. Zur Rückrechnung der Detektorkoordinaten auf den Reaktionsort wurde die inverse Transfermatrix des Spektrometers bestimmt. Hierzu wurden an Protonen im ¹²C-Kern quasielastisch gestreute Elektronen verwendet, deren Startwinkel durch einen Lochkollimator definiert wurden. Daraus ergeben sich experimentelle Werte für die mittlere Winkelauflösung am Target von sigma_phi = 1,3 mrad bzw. sigma_theta = 10,6 mrad. Da die Impulseichung des SOS nur mittels quasielastischer Streuung (Zweiarmexperiment) durchgeführt werden kann, muss man den Beitrag des Protonarms zur Breite des Piks der fehlenden Masse in einer Monte-Carlo-Simulation abschätzen und herausfalten. Zunächst lässt sich nur abschätzen, dass die Impulsauflösung sicher besser als 1% ist.

Einzelspin-Asymmetrien in der elastischen Elektron-Proton-Streuung und die Beiträge der Strange-Quarks zu den Formfaktoren des Nukleons

Die A4-Kollaboration am Mainzer Mikrotron MAMI erforscht die Struktur des Protons mit Hilfe der elastischen Streuung polarisierter Elektronen an unpolarisiertem Wasserstoff. Bei longitudinaler Polarisation wird eine paritätsverletzende Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt gemessen, die Aufschluß über den Beitrag der Strangeness zu den Vektor-Formfaktoren des Protons gibt. Bei transversaler Polarisation treten azimutale Asymmetrien auf, die auf Beiträge des Zwei-Photon-Austauschs zum Wirkungsquerschnitt zurückzuführen sind und den Zugriff auf den Imaginärteil der Zwei-Photon-Amplitude ermöglichen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Messungen bei zwei Impulsüberträgen und jeweils Longitudinal- und Transversalpolarisation durchgeführt und analysiert. Im Vordergrund standen die Extraktion der Rohasymmetrien aus den Daten, die Korrekturen der Rohasymmetrien auf apparative Asymmetrien, die Abschätzung des systematischen Fehlers und die Bestimmung der Strange-Formfaktoren aus den paritätsverletzenden Asymmetrien. Bei den Messungen mit Longitudinalpolarisation wurden die Asymmetrien zu A=(-5.59 +- 0.57stat +- 0.29syst)ppm bei Q^2=0.23 (GeV/c)^2 und A=(-1.39 +- 0.29stat +- 0.12syst)ppm bei Q^2=0.11(GeV/c)^2 bestimmt. Daraus lassen sich die Linearkombinationen der Strange-Formfaktoren zu GEs+0.225GMs= 0.029 +- 0.034 bzw. GEs+0.106GMs=0.070+-0.035 ermitteln. Die beiden Resultate stehen in Übereinstimmung mit anderen Experimenten und deuten darauf hin, daß es einen nichtverschwindenden Strangeness-Beitrag zu den Formfaktoren gibt. Bei den Messungen mit Transversalpolarisation wurden die azimutalen Asymmetrien zu A=(-8.51 +- 2.31stat +-0.89syst)ppm bei E=855 MeV und Q^2=0.23(GeV/c)^2 und zu A=(-8.59 +- 0.89stat +- 0.83syst)ppm bei E=569 MeV und Q^2=0.11(GeV/c)^2 bestimmt. Die Größe der gemessenen Asymmetrien belegt, daß beim Zwei-Photon-Austausch neben dem Grundzustand des Protons vor allem auch angeregte Zwischenzustände einen wesentlichen Beitrag liefern.

Aufbau und Betrieb einer schnellen Kalorimeterelektronik für ein Experiment zur Messung der Paritätsverletzung in der elastischen Elektronenstreuung

Die A4-Kollaboration am Mainzer Mikrotron MAMI erforscht die Struktur des Protons mit Hilfe der elastischen Streuung polarisierter Elektronen an unpolarisiertem Wasserstoff. Bei longitudinaler Polarisation wird die paritätsverletzende Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt gemessen, die Aufschluss über den Strangeness-Beitrag zu den Vektor-Formfaktoren des Protons gibt. Insbesondere wurde eine Messung für Rückwärtsstreuwinkel bei einer Elektronenstrahlenergie von 319 MeV durchgeführt, die zusammen mit einem unter Vorwärtsstreuung bei gleichem Impulsübertrag bestimmten Wert die Separation der magnetischen und elektrischen Strangeness-Formfaktoren erlaubt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Elektroniksystem zur Energiemessung und Histogrammierung der auftretenden Einzelereignisse aufgebaut, das eine vernetzte Struktur aus 1022 Einzelkanälen besitzt und zur Verarbeitung einer Gesamtereignisrate von 100 MHz ausgelegt wurde. Für den experimentellen Betrieb wurden für alle Kanäle erforderliche Qualitäts-prüfungen und Eichmessungen vorgenommen. Die volle Funktionsfähigkeit des Systems zur Durchführung eines Zählratenexperiments für die paritätsverletzende Asymmetrie im Bereich von 10^{-6} wurde demonstriert. Um den bei rückwärtigen Streuwinkeln dominierenden inelastischen Untergrund an Photonen in den Spektren zu reduzieren, wurde das System außerdem um ein Taggersystem für Elektronen erweitert. Das Ergebnis einer vorläufigen Analyse für die paritätsverletzende Asymmetrie im Streuquerschnitt von longitudinal polarisierten Elektronen an unpolarisierten Protonen unter Rückwärtsstreuung bei einem Viererimpulsübertrag Q^2 = 0.23 GeV^2/c^2 beträgt A{PV}=(-16.37 +- 0.93 {stat} +- 0.69 {syst}) ppm. Für die Differenz der gemessenen Asymmetrie A{PV} und der theoretischen Vorhersage ohne Strangeness A{0}=(-16.27 +- 1.22) ppm ergibt sich A{S}= A{PV} - A{0} = (-0.10+-1.68) ppm. Mit dem bereits vorliegenden Wert der Vorwärtsstreuung von A{PV} = (-5.59+- 0.57 {stat} +- 0.29 {syst}) ppm kann ein Wert für den magnetischen bzw. elektrischen Formfaktor von G{M}^s = -0.01+- 0.15 bzw. G{E}^s = 0.034 +- 0.050 ermittelt werden.

Concept and realization of the A4 compton backscattering polarimeter at MAMI

The main concern of the A4 parity violation experiment at the Mainzer Microtron accelerator facility is to study the electric and magnetic contributions of strange quarks to the charge and magnetism of the nucleons at the low momentum transfer region. More precisely, the A4 collaboration investigates the strange quarks' contribution to the electric and magnetic vector form factors of the nucleons. Thus, it is important that the A4 experiment uses an adequate and precise non-destructive online monitoring tool for the electron beam polarization when measuring single spin asymmetries in elastic scattering of polarized electrons from unpolarized nucleons. As a consequence, the A4 Compton backscattering polarimeter was designed and installed such that we can take the absolute measurement of the electron beam polarization without interruption to the parity violation experiment. The present study shows the development of an electron beam line that is called the chicane for the A4 Compton backscattering polarimeter. The chicane is an electron beam transport line and provides an interaction region where the electron beam and the laser beam overlap. After studying the properties of beam line components carefully, we developed an electron beam control system that makes a beam overlap between the electron beam and the laser beam. Using the system, we can easily achieve the beam overlap in a short time. The electron control system, of which the performance is outstanding, is being used in production beam times. And the study presents the development of a scintillating fiber electron detector that reduces the statistical error in the electron polarization measurement. We totally redesigned the scintillating fiber detector. The data that were taken during a 2008 beam time shows a huge background suppression, approximately 80 percent, while leaving the Compton spectra almost unchanged when a coincidence between the fiber detector and the photon detector is used. Thus, the statistical error of the polarization measurement is reduced by about 40 percent in the preliminary result. They are the significant progress in measuring a degree of polarization of the electron beam.

Untergrundstudien zur Messung der Strangeness-Vektorformfaktoren des Protons durch paritätsverletzende Elektronenstreuung unter Rückwärtswinkeln

Im Rahmen des A4-Experiments werden die Beiträge des Strange-Quarks zu den elektromagnetischen Formfaktoren des Protons gemessen. Solche Seequarkeffekte bei Niederenergieobservablen sind für das Verständnis der Hadronenstruktur wichtig, denn sie stellen eine direkte Manifestation der QCD-Freiheitsgrade im nichtperturbativen Bereich dar.rnrnLinearkombinationen der Strangeness-Vektorformfaktoren des Protons $G_E^s$ und $G_M^s$ sind experimentell über die Messung der paritätsverletzenden Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung longitudinal polarisierter Elektronen an unpolarisierten Nukleonen zugänglich. Vor dieser Arbeit hatte die A4-Kollaboration zwei solche Messungen unter Vorwärtsstreuwinkeln bei den Viererimpulsübertägen $Q^2$ von jeweils 0.23 und 0.10 (GeV/c)$^2$ veröffentlicht. Um die Separation von $G_E^s$ und $G_M^s$ beim höheren $Q^2$-Wert zu erhalten, wurde eine Messung unter Rückwärtswinkeln mit der Strahlenergie von 315 MeV durchgeführt.rnrnIm A4-Experiment werden die an einem Flüssigwasserstoff-Target gestreuten Elektronen eines longitudinal polarisierten Strahls mit einem Cherenkov-Kalorimeter einzeln gezählt. Durch die kalorimetrische Energiemessung erfolgt die Trennung der elastischen von den inelastischen Ereignissen. Bei Rückwärtswinkeln wurde dieses Apparat mit einem Szintillator als Elektronentagger erweitert, um den $\gamma$-Untergrund aus dem $\pi^0$-Zerfall zu unterdrücken.rnrnUm die Auswertung dieser Messung zu ermöglichen, wurden im Rahmen dieser Arbeit die gemessenen Energiespektren anhand von ausführlichen Simulationen der Streuprozesse und des Antwortverhaltens der Detektoren untersucht, und eine Methode zur Behandlung des restlichen Untergrunds aus der $\gamma$-Konversionrnvor dem Szintillator entwickelt. Die Simulationergebnisse sind auf dem 5%-Niveau mit den Messungen verträglich, und es wurde bewiesen, dass die Methode der Untergrundbehandlung anwendbar ist.rnrnDie Asymmetriemessung bei Rückwärtswinkeln, die man nach Anwendung der hier erarbeiteten Untergrundbehandlung erhält, wurde für die Separation von $G_E^s$ und $G_M^s$ bei $Q^2$=0.22 (GeV/c)^2 mit der Vorwärtswinkelmessung beim selbenrn$Q^2$ kombiniert. Es ergeben sich die Werte:rnrn$G_M^s$= -0.14 ± 0.11_{exp} ± 0.11_{theo} undrn$G_E^s$= 0.050 ± 0.038_{exp} ± 0.019_{theo}, rnrnwobei die systematische Unsicherheit wegen der Untergrundbehandlung im experimentellen Fehler enthalten ist. Am Ende der Arbeit werden die aus diesen Resultaten folgenden Rückschlüsse auf den Einfluss der Strangeness auf die statischen elektromagnetischen Eigenschaften des Protons diskutiert.rn

Vielkanal-Spinpolarimeter für energie- und winkeldispersive Photoemissionsmessungen

Spinpolarisationsmessungen an freien Elektronen sind seit ihrer ersten Verwirklichung durch Mott anspruchsvoll geblieben. Die relevante Größe eines Spinpolarimeters ist seine Gütefunktion, FoM = S^2*I/I_0, mit der Asymmetriefunktion S und dem Verhältnis aus Streu- und Primärintensität I/I_0. Alle bisherigen Geräte basieren auf einer einkanaligen Streuung (Spin-Bahn- oder Austauschwechselwirkung), die durch FoM = 10^(-4) charakterisiert ist. Moderne Halbkugelanalysatoren ermöglichen hingegen eine effiziente Vielkanaldetektion der spinintegralen Intensität mit mehr als 10^4 simultan erfassten Datenpunkten. Im Vergleich zwischen spinaufgelöster und spinintegraler Elektronenspektroskopie findet man somit einen Effizienzunterschied von 8 Größenordnungen.rnDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung eines neuartigen Verfahrens zur Effizienzsteigerung in der spinaufgelösten Elektronenspektroskopie unter Ausnutzung von Vielkanaldetektion. Der Spindetektor wurde in eine µ-metallgeschirmte UHV-Kammer integriert und hinter einem konventionellen Halbkugelanalysator angebracht. Durch elektronenoptische Simulationen wurde die Geometrie des elektrostatischen Linsensystems festgelegt. Das Grundkonzept basiert auf der k(senkrecht)-erhaltenden elastischen Streuung des (0,0)-Spekularstrahls an einem W(100)- Streukristall unter einem Einfallswinkel von 45°. Es konnte gezeigt werden, dass etwarn960 Datenpunkte (15 Energie- und 64 Winkelpunkte) in einem Energiebereich vonrnetwa 3 eV simultan auf einen Delayline-Detektor abgebildet werden können. Dies führt zu einer zweidimensionalen Gütefunktion von FoM_2D = 1,7. Verglichen mit konventionellen Spindetektoren ist der neuartige Ansatz somit durch einen Effizienzgewinn von 4 Größenordnungen gekennzeichnet.rnDurch Messungen einer Fe/MgO(100) und O p(1x1)/Fe(100)-Probe konnte die Funktionstüchtigkeit des neuen Spinpolarimeters nachgewiesen werden, indem die aus der Literatur bekannten typischen UPS-Ergebnisse mit stark verkürzter Messzeit reproduziert wurden. Durch die hohe Effizienz ist es möglich, besonders reaktive Oberflächen in kurzer Zeit zu vermessen. Dieser Vorteil wurde bereits für eine erste grundlagenorientierte Anwendung genutzt: Als Test für die Gültigkeit von Bandstrukturrechnungen für die Heusler-Verbindung Co_2MnGa, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment gefunden wurde.rnMit dem Vielkanal-Spinfilter wurde die Grundlage zu einem um Größenordnungen verbesserten Messverfahren der Elektronenspin-Polarisation geschaffen und damit der Zugang zu Experimenten eröffnet, die mit den bisherigen einkanaligen Detektoren nicht möglich sind.rn

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 neutron background of the XENON100 dark matter experiment

TheXENON100 experiment, installed underground at the LaboratoriNazionali del Gran Sasso, aims to directly detect dark matter in the form of weakly interacting massive particles (WIMPs) via their elastic scattering off xenon nuclei. This paper presents a study on the nuclear recoil background of the experiment, taking into account neutron backgrounds from (alpha, n) reactions and spontaneous fission due to natural radioactivity in the detector and shield materials, as well as muon-induced neutrons. Based on MonteCarlo simulations and using measured radioactive contaminations of all detector components, we predict the nuclear recoil backgrounds for the WIMP search results published by theXENON100 experiment in 2011 and 2012, 0.11(-0.04)(+0.08) events and 0.17(-0.07)(+0.12) events, respectively, and conclude that they do not limit the sensitivity of the experiment.

Warm Breze from the Starboard Bow: a new Population of neutral Helium in the Heliosphere

We investigate the signals from neutral helium atoms observed in situ from Earth orbit in 2010 by the Interstellar Boundary Explorer (IBEX). The full helium signal observed during the 2010 observation season can be explained as a superposition of pristine neutral interstellar He gas and an additional population of neutral helium that we call the Warm Breeze. The Warm Breeze is approximately 2 times slower and 2.5 times warmer than the primary interstellar He population, and its density in front of the heliosphere is ~7% that of the neutral interstellar helium. The inflow direction of the Warm Breeze differs by ~19° from the inflow direction of interstellar gas. The Warm Breeze seems to be a long-term, perhaps permanent feature of the heliospheric environment. It has not been detected earlier because it is strongly ionized inside the heliosphere. This effect brings it below the threshold of detection via pickup ion and heliospheric backscatter glow observations, as well as by the direct sampling of GAS/Ulysses. We discuss possible sources for the Warm Breeze, including (1) the secondary population of interstellar helium, created via charge exchange and perhaps elastic scattering of neutral interstellar He atoms on interstellar He+ ions in the outer heliosheath, or (2) a gust of interstellar He originating from a hypothetic wave train in the Local Interstellar Cloud. A secondary population is expected from models, but the characteristics of the Warm Breeze do not fully conform to modeling results. If, nevertheless, this is the explanation, IBEX-Lo observations of the Warm Breeze provide key insights into the physical state of plasma in the outer heliosheath. If the second hypothesis is true, the source is likely to be located within a few thousand AU from the Sun, which is the propagation range of possible gusts of interstellar neutral helium with the Warm Breeze characteristics against dissipation via elastic scattering in the Local Cloud. Whatever the nature of the Warm Breeze, its discovery exposes a critical new feature of our heliospheric environment.

QCD structure of nuclear interactions

The research presented in this dissertation investigated selected processes involving baryons and nuclei in hard scattering reactions. These processes are characterized by the production of particles with large energies and transverse momenta. Through these processes, this work explored both, the constituent (quark) structure of baryons (specifically nucleons and Δ-Isobars), and the mechanisms through which the interactions between these constituents ultimately control the selected reactions. The first of such reactions is the hard nucleon-nucleon elastic scattering, which was studied here considering the quark exchange between the nucleons to be the dominant mechanism of interaction in the constituent picture. In particular, it was found that an angular asymmetry exhibited by proton-neutron elastic scattering data is explained within this framework if a quark-diquark picture dominates the nucleon’s structure instead of a more traditional SU(6) three quarks picture. The latter yields an asymmetry around 90o center of mass scattering with a sign opposite to what is experimentally observed. The second process is the hard breakup by a photon of a nucleon-nucleon system in light nuclei. Proton-proton (pp) and proton-neutron (pn) breakup in 3He, and ΔΔ-isobars production in deuteron breakup were analyzed in the hard rescattering model (HRM), which in conjunction with the quark interchange mechanism provides a Quantum Chromodynamics (QCD) description of the reaction. Through the HRM, cross sections for both channels in 3He photodisintegration were computed without the need of a fitting parameter. The results presented here for pp breakup show excellent agreement with recent experimental data. In ΔΔ-isobars production in deuteron breakup, HRM angular distributions for the two ΔΔ channels were compared to the pn channel and to each other. An important prediction fromthis study is that the Δ++Δ- channel consistently dominates Δ+Δ0, which is in contrast with models that unlike the HRM consider a ΔΔ system in the initial state of the interaction. For such models both channels should have the same strength. These results are important in developing a QCD description of the atomic nucleus.

A precise measurement of the two -photon exchange effect

The two-photon exchange phenomenon is believed to be responsible for the discrepancy observed between the ratio of proton electric and magnetic form factors, measured by the Rosenbluth and polarization transfer methods. This disagreement is about a factor of three at Q 2 of 5.6 GeV2. The precise knowledge of the proton form factors is of critical importance in understanding the structure of this nucleon. The theoretical models that estimate the size of the two-photon exchange (TPE) radiative correction are poorly constrained. This factor was found to be directly measurable by taking the ratio of the electron-proton and positron-proton elastic scattering cross sections, as the TPE effect changes sign with respect to the charge of the incident particle. A test run of a modified beamline has been conducted with the CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) at Thomas Jefferson National Accelerator Facility. This test run demonstrated the feasibility of producing a mixed electron/positron beam of good quality. Extensive simulations performed prior to the run were used to reduce the background rate that limits the production luminosity. A 3.3 GeV primary electron beam was used that resulted in an average secondary lepton beam of 1 GeV. As a result, the elastic scattering data of both lepton types were obtained at scattering angles up to 40 degrees for Q2 up to 1.5 GeV2. The cross section ratio displayed an &epsis; dependence that was Q2 dependent at smaller Q2 limits. The magnitude of the average ratio as a function of &epsis; was consistent with the previous measurements, and the elastic (Blunden) model to within the experimental uncertainties. Ultimately, higher luminosity is needed to extend the data range to lower &epsis; where the TPE effect is predicted to be largest.

Proton Form Factor Puzzle and the CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) two-photon exchange experiment

The electromagnetic form factors are the most fundamental observables that encode information about the internal structure of the nucleon. The electric (GE) and the magnetic ( GM) form factors contain information about the spatial distribution of the charge and magnetization inside the nucleon. A significant discrepancy exists between the Rosenbluth and the polarization transfer measurements of the electromagnetic form factors of the proton. One possible explanation for the discrepancy is the contributions of two-photon exchange (TPE) effects. Theoretical calculations estimating the magnitude of the TPE effect are highly model dependent, and limited experimental evidence for such effects exists. Experimentally, the TPE effect can be measured by comparing the ratio of positron-proton elastic scattering cross section to that of the electron-proton [R = σ(e +p)/σ(e+p)]. The ratio R was measured over a wide range of kinematics, utilizing a 5.6 GeV primary electron beam produced by the Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) at Jefferson Lab. This dissertation explored dependence of R on kinematic variables such as squared four-momentum transfer (Q2) and the virtual photon polarization parameter (&epsis;). A mixed electron-positron beam was produced from the primary electron beam in experimental Hall B. The mixed beam was scattered from a liquid hydrogen (LH2) target. Both the scattered lepton and the recoil proton were detected by the CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS). The elastic events were then identified by using elastic scattering kinematics. This work extracted the Q2 dependence of R at high &epsis;(&epsis; > 0.8) and the $&epsis; dependence of R at ⟨Q 2⟩ approx 0.85 GeV2. In these kinematics, our data confirm the validity of the hadronic calculations of the TPE effect by Blunden, Melnitchouk, and Tjon. This hadronic TPE effect, with additional corrections contributed by higher excitations of the intermediate state nucleon, largely reconciles the Rosenbluth and the polarization transfer measurements of the electromagnetic form factors.

Positronium collisions with rare-gas atoms

We calculate elastic scattering of positronium (Ps) by the Xe atom using the recently developed pseudopotential method (Fabrikant and Gribakin 2014 Phys. Rev. A 90 052717) and review general features of Ps scattering from heavier rare-gas atoms: Ar, Kr and Xe. The total scattering cross section is dominated by two contributions: elastic scattering and Ps ionization (break-up). To calculate the Ps ionization cross sections we use the binary-encounter method for Ps collisions with an atomic target. Our results for the ionization cross section agree well with previous calculations carried out in the impulse approximation. Our total Ps–Xe cross section, when plotted as a function of the projectile velocity, exhibits similarity with the electron-Xe cross section for the collision velocities higher than 0.8 a.u., and agrees very well with the measurements at Ps velocities above 0.5 a.u.