Testing the quark cluster model in nucleon-nucleon scattering

The description of the short-range part of the nucleon-nucleon forces in terms of quark degrees of freedom is tested against experimental observables. We consider, for this purpose, a model where the short-range part of the forces is given by the quark cluster model and the long- and medium-range forces by well established meson exchanges. The investigation is performed using different quark cluster models coming from different sets of quark-quark interactions. The predictions of this model are compared not only with the phase shifts but also directly with the experimental observables. Agreement with the existing pp and np world set of data is poor. This suggests that the current description of the nucleon-nucleon interaction, at short distances, in the framework of the nonrelativistic quark models, is at present only qualitative.

Chiral symmetry and pion-nucleon scattering

In this work, we study the influence of the way pious couple to nucleons in perturbative calculation of an observable in the pion-nucleon scattering.

Nucleon-nucleon scattering within a multiple subtractive renormalization approach

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

Accurate evaluation of hadronic uncertainties in spin-independent WIMP-nucleon scattering: Disentangling two- and three-flavor effects

We show how to avoid unnecessary and uncontrolled assumptions usually made in the literature about soft SU(3) flavor symmetry breaking in determining the two-flavor nucleon matrix elements relevant for direct detection of weakly interacting massive particles (WIMPs). Based on SU(2) chiral perturbation theory, we provide expressions for the proton and neutron scalar couplings fp,nu and fp,nd with the pion-nucleon σ term as the only free parameter, which should be used in the analysis of direct detection experiments. This approach for the first time allows for an accurate assessment of hadronic uncertainties in spin-independent WIMP-nucleon scattering and for a reliable calculation of isospin-violating effects. We find that the traditional determinations of Vfpu−fnu and fpd−fnd are off by a factor of 2.

COMPLEX KOHN VARIATIONAL PRINCIPLE FOR 2-NUCLEON BOUND-STATE AND SCATTERING WITH THE TENSOR POTENTIAL

Complex Kohn variational principle is applied to the numerical solution of the fully off-shell Lippmann-Schwinger equation for nucleon-nucleon scattering for various partial waves including the coupled S-3(1), D-3(1), channel. Analytic expressions are obtained for all the integrals in the method for a suitable choice of expansion functions. Calculations with the partial waves S-1(0), P-1(1), D-1(2), and S-3(1)-D-3(1) of the Reid soft core potential show that the method converges faster than other solution schemes not only for the phase shift but also for the off-shell t matrix elements. We also show that it is trivial to modify this variational principle in order to make it suitable for bound-state calculation. The bound-state approach is illustrated for the S-3(1)-D-3(1) channel of the Reid soft-core potential for calculating the deuteron binding, wave function, and the D state asymptotic parameters. (c) 1995 Academic Press, Inc.

The influence of the NN* channel on elastic NN scattering

The problem of two channels NN and NN*, coupled through unitarity, is studied to see whether sizable peaks can be produced in elastic nucleon-nucleon scattering due to the opening of a strongly coupled inelastic channel. One-pion-exchange (OPE) interactions are calculated to estimate the NN*→NN* and NN→NN* amplitudes. The OPE production amplitudes are used as the sole dynamical input to drive the multichannel ND^-1 equations in the determinental approximation, and the effect on the J = 2+ (¹D₂) elastic NN scattering amplitude is studied as the width of the unstable N* and strength of coupling to the inelastic channel are varied. A cusp-type enhancement appears in the NN channel near the NN* threshold but for the known value of the N* width the cusp is so “wooly” that any resulting elastic peak is likely to be too broad and diminished in height to be experimentally prominent. A brief survey of current experimental knowledge of the real part of the ¹D₂ NN phase shift near the NN* threshold is given, and the values are found to be much smaller than the nearly “resonant” phase shifts predicted by the coupled channel model.

Influence of two different representations of the G-matrix to the in-medium nucleon-nucleon cross sections

We calculate the in-medium nucleon-nucleon scattering cross sections from the G-matrix using the Dirac-Brueckner-Hartree-Fock (DBHF) approach. And we investigate the influence of the different representations of the G-matrix to the cross sections, the difference of which is mainly from the different effective masses.

Correlations derived from modern nucleon-nucleon potentials

Various modern nucleon-nucleon (NN) potentials yield a very accurate fit to the nucleon-nucleon scattering phase shifts. The differences between these interactions in describing properties of nuclear matter are investigated. Various contributions to the total energy are evaluated employing the Hellmann-Feynman theorem. Special attention is paid to the two-nucleon correlation functions derived from these interactions. Differences in the predictions of the various interactions can be traced back to the inclusion of nonlocal terms.

I. Baryon-antibaryon phase transition at high temperature. II. Inclusive virtual photon-hadron reactions in the parton model

Part I

Present experimental data on nucleon-antinucleon scattering allow a study of the possibility of a phase transition in a nucleon-antinucleon gas at high temperature. Estimates can be made of the general behavior of the elastic phase shifts without resorting to theoretical derivation. A phase transition which separates nucleons from antinucleons is found at about 280 MeV in the approximation of the second virial coefficient to the free energy of the gas.

Part II

The parton model is used to derive scaling laws for the hadrons observed in deep inelastic electron-nucleon scattering which lie in the fragmentation region of the virtual photon. Scaling relations are obtained in the Bjorken and Regge regions. It is proposed that the distribution functions become independent of both q² and ν where the Bjorken and Regge regions overlap. The quark density functions are discussed in the limit x→1 for the nucleon octet and the pseudoscalar mesons. Under certain plausible assumptions it is found that only one or two quarks of the six types of quarks and antiquarks have an appreciable density function in the limit x→1. This has implications for the quark fragmentation functions near the large momentum boundary of their fragmentation region. These results are used to propose a method of measuring the proton and neutron quark density functions for all x by making measurements on inclusively produced hadrons in electroproduction only. Implications are also discussed for the hadrons produced in electron-positron annihilation.

Pion: space-like structure

The scalar form factor describes modifications induced by the pion over the quark condensate. Assuming that representations produced by chiral perturbation theory can be pushed to high values of negative-t, a region in configuration space is reached (r < R similar to 0.5 fm) where the form factor changes sign, indicating that the condensate has turned into empty space. A simple model for the pion incorporates this feature into density functions. When supplemented by scalar-meson excitations, it yields predictions close to empirical values for the mean square radius (< r(2)>(pi)(S) = 0.59 fm(2)) and for one of the low energy constants ((l) over bar (4) = 4.3), with no adjusted parameters.

Search for Dark Matter and Large Extra Dimensions in pp Collisions Yielding a Photon and Missing Transverse Energy

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Search for dark matter and large extra dimensions in monojet events in pp collisions at root s=7 TeV

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Search for dark matter, extra dimensions, and unparticles in monojet events in proton-proton collisions at root s=8TeV

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Bestimmung der Analysierstärke des A4-Compton-Rückstreupolarimeters zur Messung der longitudinalen Spinpolarisation des MAMI-Elektronenstrahls

Das A4-Experiment bestimmt den Beitrag der Strangequarks zu den elektromagnetischen Formfaktoren des Nukleons durch Messung der Paritätsverletzung in der elastischen Elektron-Nukleon-Streuung. Diese Messungen werden mit dem spinpolarisierten Elektronenstrahl des Mainzer Mikrotrons (MAMI) bei Strahlenergien zwischen 315 und 1508 MeV ndurchgeführt. Die Bestimmung des Strahlpolarisationsgrades ist für die Analyse der Daten unerläßlich, um die physikalische Asymmetrie aus der gemessenen paritätsverletzenden Asymmetrie extrahieren zu können. Aus diesem Grund wird von der A4-Kollaboration ein neuartiges Compton-Laserrückstreupolarimeter entwickelt, das eine zerstörungsfreie Messung der Strahlpolarisation, parallel zum laufenden Paritätsexperiment erlaubt. Um den zuverlässigen Dauerbetrieb des Polarimeters zu ermöglichen, wurde das Polarimeter im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt. Das Datenerfassungssystem für Photonen- und Elektronendetektor wurde neu aufgebaut und im Hinblick auf die Verarbeitung hoher Raten optimiert. Zum Nachweis der rückgestreuten Photonen wurde ein neuartiger Detektor (LYSO) in Betrieb genommen. Darüber hinaus wurden GEANT4-Simulationen der Detektoren durchgeführt und eine Analyseumgebung für die Extraktion von Comptonasymmetrien aus den Rückstreudaten entwickelt. Das Analyseverfahren nutzt die Möglichkeit, die rückgestreuten Photonen durch koinzidente Detektion der gestreuten Elektronen energiemarkiert nachzuweisen (Tagging). Durch die von der Energiemarkierung eingeführte differentielle Energieskala wird somit eine präzise Bestimmung der Analysierstärke möglich. In der vorliegenden Arbeit wurde die Analysierstärke des Polarimeters bestimmt, so daß nun das Produkt von Elektronen- und Laserstrahlpolarisation bei einem Strahlstrom von 20 muA, parallel zum laufenden Paritätsexperiment, mit einer statistischen Genauigkeit von 1% in 24 Stunden bei 855 MeV bzw. <1% in 12 Stunden bei 1508 MeV gemessen werden kann. In Kombination mit der Bestimmung der Laserpolarisation in einer parallelen Arbeit (Y. Imai) auf 1% kann die statistische Unsicherheit der Strahlpolarisation im A4-Experiment von zuvor 5% auf nun 1,5% bei 1508MeV verringert werden. Für die Daten zur Messung der paritätsverletzenden Elektronenstreuung bei einem Viererimpulsübertrag von $Q^2=0,6 (GeV/c)^2$ beträgt die Rohasymmetrie beim derzeitigen Stand der Analyse $A_{PV}^{Roh} = ( -20,0 pm 0,9_{stat} ) cdot 10^{-6}$. Für eine Strahlpolarisation von 80% erhält man einen Gesamtfehler von $1,68 cdot 10^{-6}$ für $Delta P_e/P_e = 5 %$. Als Ergebnis dieser Arbeit wird sich dieser Fehler durch Analyse der Daten des Compton-Laserrückstreupolarimeters um 29% auf $1,19 cdot 10^{-6}$ ($Delta P_e/P_e = 1,5 %$) verringern lassen.

Anwendungen des Komplexe-Masse-Renormierungsschemas in effektiver Feldtheorie

Der erste Teil der vorliegenden Dissertation befasst sich mit der Untersuchung der perturbativen Unitarität im Komplexe-Masse-Renormierungsschema (CMS). Zu diesem Zweck wird eine Methode zur Berechnung der Imaginärteile von Einschleifenintegralen mit komplexen Massenparametern vorgestellt, die im Grenzfall stabiler Teilchen auf die herkömmlichen Cutkosky-Formeln führt. Anhand einer Modell-Lagrangedichte für die Wechselwirkung eines schweren Vektorbosons mit einem leichten Fermion wird demonstriert, dass durch Anwendung des CMS die Unitarität der zugrunde liegenden S-Matrix im störungstheoretischen Sinne erfüllt bleibt, sofern die renormierte Kopplungskonstante reell gewählt wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Anwendungen des CMS in chiraler effektiver Feldtheorie (EFT). Im Einzelnen werden Masse und Breite der Deltaresonanz, die elastischen elektromagnetischen Formfaktoren der Roperresonanz, die elektromagnetischen Formfaktoren des Übergangs vom Nukleon zur Roperresonanz sowie Pion-Nukleon-Streuung und Photo- und Elektropionproduktion für Schwerpunktsenergien im Bereich der Roperresonanz berechnet. Die Wahl passender Renormierungsbedingungen ermöglicht das Aufstellen eines konsistenten chiralen Zählschemas für EFT in Anwesenheit verschiedener resonanter Freiheitsgrade, so dass die aufgeführten Prozesse in Form einer systematischen Entwicklung nach kleinen Parametern untersucht werden können. Die hier erzielten Resultate können für Extrapolationen von entsprechenden Gitter-QCD-Simulationen zum physikalischen Wert der Pionmasse genutzt werden. Deshalb wird neben der Abhängigkeit der Formfaktoren vom quadrierten Impulsübertrag auch die Pionmassenabhängigkeit des magnetischen Moments und der elektromagnetischen Radien der Roperresonanz untersucht. Im Rahmen der Pion-Nukleon-Streuung und der Photo- und Elektropionproduktion werden eine Partialwellenanalyse und eine Multipolzerlegung durchgeführt, wobei die P11-Partialwelle sowie die Multipole M1- und S1- mittels nichtlinearer Regression an empirische Daten angepasst werden.