Cross sections and Rosenbluth separations from kaon electroproduction on protons up to Q2 = 2.35 (GeV/c)2

The kaon electroproduction reaction H(e, e ′K+)Λ was studied as a function of the four momentum transfer, Q2, for different values of the virtual photon polarization parameter. Electrons and kaons were detected in coincidence in two High Resolution Spectrometers (HRS) at Jefferson Lab. Data were taken at electron beam energies ranging from 3.4006 to 5.7544 GeV. The kaons were identified using combined time of flight information and two Aerogel Čerenkov detectors used for particle identification. For different values of Q2 ranging from 1.90 to 2.35 GeV/c2 the center of mass cross sections for the Λ hyperon were determined for 20 kinematics and the longitudinal, σ L, and transverse, σT, terms were separated using the Rosenbluth separation technique. ^ Comparisons between available models and data have been studied. The comparison supports the t-channel dominance behavior for kaon electroproduction. All models seem to underpredict the transverse cross section. An estimate of the kaon form factor has been explored by determining the sensitivity of the separated cross sections to variations of the kaon EM form factor. From comparison between models and data we can conclude that interpreting the data using the Regge model is quite sensitive to a particular choice for the EM form factors. The data from the E98-108 experiment extends the range of the available kaon electroproduction cross section data to an unexplored region of Q2 where no separations have ever been performed. ^

Étude de la réponse du détecteur ATLAS-MPX aux neutrons rapides

Les détecteurs ATLAS-MPX sont des détecteurs Medipix2-USB recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons lents et des neutrons rapides respectivement. Un réseau de quinze détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Deux détecteurs ATLAS-MPX de référence ont été exposés à des sources de neutrons rapides 252 Cf et 241 AmBe ainsi qu’aux neutrons rapides produits par la réaction 7Li(p, xn) pour l’étude de la réponse du détecteur à ces neutrons. Les neutrons rapides sont principalement détectés à partir des protons de recul des collisions élastiques entre les neutrons et l’hydrogène dans le polyéthylène. Des réactions nucléaires entre les neutrons et le silicium produisent des particules-α. Une étude de l’efficacité de reconnaissance des traces des protons et des particules-α dans le détecteur Medipix2-USB a été faite en fonction de l’énergie cinétique incidente et de l’angle d’incidence. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été évaluée à deux seuils d’énergie (8 keV et 230 keV) dans les détecteurs ATLAS-MPX. L’efficacité de détection des neutrons rapides dans la région du détecteur couverte avec le polyéthylène augmente en fonction de l’énergie des neutrons : (0.0346 ± 0.0004) %, (0.0862 ± 0.0018) % et (0.1044 ± 0.0026) % pour des neutrons rapides de 2.13 MeV, 4.08 MeV et 27 MeV respectivement. L’étude pour déterminer l’énergie des neutrons permet donc d’estimer le flux des neutrons quand le détecteur ATLAS-MPX est dans un champ de radiation inconnu comme c’est le cas dans le détecteur ATLAS au LHC.

Discrimination d'événements par analyse des signaux enregistrés par le projet PICASSO

La matière sombre est un mystère dans le domaine de l’astrophysique depuis déjà plusieurs années. De nombreuses observations montrent que jusqu’à 85 % de la masse gravitationnelle totale de l’univers serait composée de cette matière de nature inconnue. Une théorie expliquant cette masse manquante considérerait les WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particules stables, non chargées, prédites par des extensions du modèle standard, comme candidats. Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques à la matière Sombre) est une expérience qui tente de détecter directement le WIMP. Le projet utilise des détecteurs à gouttelettes de fréon (C4F10) surchauffées. La collision entre un WIMP et le noyau de fluor crée un recul nucléaire qui cause à son tour une transition de phase de la gouttelette liquide à une bulle gazeuse. Le bruit de ce phénomène est alors capté par des senseurs piézoélectriques montés sur les parois des détecteurs. Le WIMP n’est cependant pas la seule particule pouvant causer une telle transition de phase. D’autres particules environnantes peuvent former des bulles, telles les particules alpha où même des rayons gamma . Le système d’acquisition de données (DAQ) est aussi en proie à du bruit électronique qui peut être enregistré, ainsi que sensible à du bruit acoustique extérieur au détecteur. Finalement, des fractures dans le polymère qui tient les gouttelettes en place peut également causer des transitions de phase spontanées. Il faut donc minimiser l’impact de tous ces différents bruit de fond. La pureté du matériel utilisé dans la fabrication des détecteurs devient alors très importante. On fait aussi appel à des méthodes qui impliquent l’utilisation de variables de discrimination développées dans le but d’améliorer les limites d’exclusion de détection du WIMP.

Nouvelles limites sur la détection directe de la matière sombre avec l’expérience PICASSO

Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses.

Analyse et modélisation de la réponse des détecteurs du projet PICASSO pour la recherche de la matière sombre

Les mesures cosmologiques les plus récentes ont montré la présence d’un type de matière exotique constituant 85% de la masse de l’univers. Ce type de matière non baryonique serait formé de particules neutres, non relativistes, massives et interagissant faiblement avec la matière baryonique. L’ensemble des candidats est regroupé sous le nom générique WIMP (Weakly Interactive Massive Particles). L’expérience PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une expérience utilisant des détecteurs à seuil d’énergie contenant des gouttelettes surchauffées constituées de C4F10. Cette technique de détection est basée sur le principe de la chambre à bulles. Le projet PICASSO a pour but de détecter directement une particule de matière sombre. Le principe de détection est qu’une particule de matière sombre interagissant avec le liquide actif engendre un recul nucléaire du 19F. L’énergie de recul serait suffisante pour engendrer une transition de phase accompagnée d’un signal acoustique enregistrée par des senseurs piézoélectriques. Dans le cadre de ce mémoire, une simulation du taux de comptage de l’étalonnage des détecteurs PICASSO soumis à des neutrons monoénergétiques a été effectuée en utilisant la théorie de Seitz qui décrit les critères pour qu’une transition de phase ait lieu pour un liquide en état de surchauffe. De plus, un modèle calculant le signal acoustique émis lors d’une transition de phase engendré par différents types de radiations a été créé permettant de caractériser la discrimination entre différents bruits de fond en fonction de l’énergie de seuil. Finalement, un outil d’analyse, la localisation des évènements, a été utilisé pour appliquer des coupures sur le volume dans le but d’améliorer la discrimination alpha-neutron.

Mesures et analyses de la luminosité d’ATLAS grâce aux détecteurs MPX

Medipix2 (MPX) sont des détecteurs semi-conducteurs au silicium montés sur 256x256 pixels. Chaque pixel a une aire de 55x55μm2. L’aire active d’un détecteur MPX est d’environ 2 cm2. Avec deux modes de détection, un seuil et un temps d’exposition ajustables, leur utilisation peut être optimisée pour une analyse spécifique. Seize de ces détecteurs sont présentement installés dans l’expérience ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ils mesurent en temps réel le champ de radiation dû aux collisions proton-proton, au point d’interaction IP1 (Point d’Interaction 1) du LHC (Grand Collisionneur d’Hadrons). Ces mesures ont divers buts comme par exemple la mesure du champ de neutrons dans la caverne d’ATLAS. Le réseau de détecteurs MPX est complètement indépendant du détecteur ATLAS. Le groupe ATLAS-Montréal s’est intéressé à l’analyse des données récoltées par ces détecteurs pour calculer une valeur de la luminosité du LHC au point de collision des faisceaux, autour duquel est construit le détecteur ATLAS. Cette valeur est déterminée indépendamment de la luminosité mesurée par les divers sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité. Avec l’augmentation de la luminosité du LHC les détecteurs MPX les plus proches du point d’interaction détectent un grand nombre de particules dont les traces sont impossibles à distinguer sur les images ("frames") obtenues, à cause de leur recouvrement. Les paramètres de mesure de certains de ces détecteurs ont été optimisés pour des mesures de luminosité. Une méthode d’analyse des données permet de filtrer les pixels bruyants et de convertir les données des images, qui correspondent à des temps d’exposition propres aux détecteurs MPX, en valeur de luminosité pour chaque LumiBlock. Un LumiBlock est un intervalle de temps de mesure propre au détecteur ATLAS. On a validé les mesures de luminosité premièrement en comparant les résultats obtenus par différents détecteurs MPX, et ensuite en comparant les valeurs de luminosité relevées à celles obtenues par les sous-détecteurs d’ATLAS dédiés spécifiquement à la mesure de la luminosité.

Measurement of single spin asymmetry and fifth structure function for the p( e&ar; ,e'K +)Λ reaction with CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS)

The single spin asymmetry, ALT ′, and the polarized structure function, σ LT′, for the p( e&ar; , e′K +)Λ reaction in the resonance region have been measured and extracted using the CEBAF Large Acceptance Spectrometer (CLAS) at Jefferson Lab. Data were taken at an electron beam energy of 2.567 GeV. The large acceptance of CLAS allows for full azimuthal angle coverage over a large range of center-of-mass scattering angles. Results were obtained that span a range in Q 2 from 0.5 to 1.3 GeV2 and W from threshold up to 2.1 GeV and were compared to existing theoretical calculations. The polarized structure function is sensitive to the interferences between various resonant amplitudes, as well as to resonant and non-resonant amplitudes. This measurement is essential for understanding the structure of nucleons and searching for previously undetected nucleon excited states (resonances) predicted by quark models. The W dependence of the σ LT′ in the kinematic regions dominated by s and u channel exchange (cos qcmk = −0.50, −0.167, 0.167) indicated possible resonance structures not predicted by theoretical calculations. The σLT ′ behavior around W = 1.875 GeV could be the signature of a resonance predicted by the quark models and possibly seen in photoproduction. In the very forward angles where the reaction is dominated by the t-channel, the average σLT ′ was zero. There was no indication of the interference between resonances or resonant and non-resonant amplitudes. This might be indicating the dominance of a single t-channel exchange. Study of the sensitivity of the fifth structure function data to the resonance around 1900 MeV showed that these data were highly sensitive to the various assumptions of the models for the quantum number of this resonance. This project was part of a larger CLAS program to measure cross sections and polarization observables for kaon electroproduction in the nucleon resonance region. ^

Coherent rho meson electroproduction off deuteron

QCD predicts Color Transparency (CT), which refers to nuclear medium becoming transparent to a small color neutral object produced in high momentum transfer reactions, due to reduced strong interaction. Despite several studies at BNL, SLAC, FNAL, DESY and Jefferson Lab, a definitive signal for CT still remains elusive. In this dissertation, we present the results of a new study at Jefferson Lab motivated by theoretical calculations that suggest fully exclusive measurement of coherent rho meson electroproduction off the deuteron is a favorable channel for studying CT. Vector meson production has a large cross section at high energies, and the deuteron is the best understood and simplest nuclear system. Exclusivity allows the production and propagation to be controlled separately by controlling Q 2, lf (formation length), lc (coherence length) and t. This control is important as the rapid expansion of small objects increases their interaction probability and masks CT. The CT signal is investigated in a ratio of cross sections at high t (where re-scattering is significant) to low t (where single nucleon reactions dominate). The results are presented over a Q2 range of 1 to 3 GeV2 based on the data taken with beam energy of 6 GeV.

Weak strangeness changing semi-leptonic process

We have obtained total and differential cross sections for the strangeness changing charged current weak reaction ν L + p → Λ(Σ0) + L+ using standard dipole form factors, where L stands for an electron, muon, or tau lepton, and L + stands for an positron, anti-muon or anti-tau lepton. We calculated these reactions from near threshold few hundred MeV to 8 GeV of incoming neutrino energy and obtained the contributions of the various form factors to the total and differential cross sections. We did this in support of possible experiments which might be carried out by the MINERνA collaboration at Fermilab. The calculation is phenomenologically based and makes use of SU(3) relations to obtain the standard vector current form factors and data from Λ beta decay to obtain the axial current form factor. We also made estimates for the contributions of the pseudoscalar form factor and for the F E and FS form factors to the total and differential cross sections. We discuss our results and consider under what circumstances we might extract the various form factors. In particular we wish to test the SU(3) assumptions made in determining all the form factors over a range of q2 values. Recently new form factors were obtained from recoil proton measurements in electron-proton electromagnetic scattering at Jefferson Lab. We thus calculated the contributions of the individual form factors to the total and differential cross sections for this new set of form factors. We found that the differential and total cross sections for Λ production change only slightly between the two sets of form factors but that the differential and total cross sections change substantially for Σ 0 production. We discuss the possibility of distinguishing between the two cases for the experiments planned by the MINERνA Collaboration. We also undertook the calculation for the inverse reaction e − + p → Λ + νe for a polarized outgoing Λ which might be performed at Jefferson Lab, and provided additional analysis of the contributions of the individual form factors to the differential cross sections for this case. ^

Spectroscopy of Electroproduced Light to Medium Mass Lambda Hypernuclei

The E01-011 experiment at Jefferson Laboratory (JLab) studied light-to-medium mass Λ hypernuclei via the AZ + e → [special characters omitted] + e' + K+ electroproduction reaction. Precise measurement of hypernuclear ground state masses and excitation energies provides information about the nature of hyperon-nucleon interactions. Until recently, hypernuclei were studied at accelerator facilities with intense π+ and K- meson beams. The poor quality of these beams limited the resolution of the hypernuclear excitation energy spectra to about 1.5 MeV (FWHM). This resolution is not sufficient for resolving the rich structure observed in the excitation spectra. By using a high quality electron beam and employing a new high resolution spectrometer system, this study aims to improve the resolution to a few hundred keV with an absolute precision of about 100 keV for excitation energies. In this work the high-resolution excitation spectra of [special characters omitted], and [special characters omitted] hypernuclei are presented. In an attempt to emphasize the presence of the core-excited states we introduced a novel likelihood approach to particle identification (PID) to serve as an alternative to the commonly used standard hard-cut PID. The new method resulted in almost identical missing mass spectra as obtained by the standard approach. An energy resolution of approximately 400–500 keV (FWHM) has been achieved, an unprecedented value in hypernuclear reaction spectroscopy. For [special characters omitted] the core-excited configuration has been clearly observed with significant statistics. The embedded Λ hyperon increases the excitation energies of the 11B nuclear core by 0.5–1 MeV. The [special characters omitted] spectrum has been observed with significant statistics for the first time. The ground state is bound deeper by roughly 400 keV than currently predicted by theory. Indication for the core-excited doublet, which is unbound in the core itself, is observed. The measurement of [special characters omitted] provides the first study of a d-shell hypernucleus with sub-MeV resolution. Discrepancies of up to 2 MeV between measured and theoretically predicted binding energies are found. Similar disagreement exists when comparing to the [special characters omitted] mirror hypernucleus. Also the core-excited structure observed between the major s-, p- and d-shell Λ orbits is not consistent with the available theoretical calculations. In conclusion, the discrepancies found in this study will provide valuable input for the further development of theoretical models.

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.

Mesure du rapport d'embranchement des désintégrations B^0--> pi^- l^+v et B^+--> êta^(') l^+v, du spectre des facteurs de forme des désintégrations B^0--> pi^- l^+v et B^+--> êta l^+v, et extraction de |V_ub| dans l'expérience BABAR

Nous rapportons les résultats d'une étude des désintégrations semileptoniques non-charmées B^+--> êta^(') l^+v et B^0--> pi^- l^+v, mesurés par le détecteur BABAR avec une production d'environ 464 millions de paires de mésons BBbar issues des collisions e^+e^- à la résonance Upsilon(4S). L'analyse reconstruit les événements avec une technique relâchée des neutrinos. Nous obtenons les rapports d'embranchement partiels pour les désintégrations B^+--> êta l^+v et B^0--> pi^- l^+v en trois et douze intervalles de q^2, respectivement, à partir desquels nous extrayons les facteurs de forme f_+(q^2) et les rapports d'embranchement totaux B(B^+--> êta l^+v) = (3.39 +/- 0.46_stat +/- 0.47_syst) x 10^-5 et B(B^0--> pi^- l^+v) = (1.42 +/- 0.05_stat +/- 0.08_syst) x 10^-4. Nous mesurons aussi B(B^+--> êta' l^+v) = (2.43 +/- 0.80_stat +/- 0.34_syst) x 10^-5. Nous obtenons les valeurs de la norme de l'élément |V_ub| de la matrice CKM en utilisant trois calculs différents de la CDQ.

Étude des collisions proton-proton dans l’expérience ATLAS avec les détecteurs ATLAS-MPX

Les seize détecteurs MPX constituant le réseau ATLAS-MPX ont été placés à différentes positions dans le détecteur ATLAS et sa averne au CERN dans le but de mesurer en emps réel les champs de radiation produits ar des particules primaires (protons des faisceaux) et des particules secondaires (kaons, pions, g, protons) issues des collisions proton-proton. Des films de polyéthylène (PE) et de fluorure de lithium (6LiF) recouvrent les détecteurs afin d’augmenter leur sensibilité aux neutrons produits par les particules primaires et secondaires interagissant avec les matériaux présents dans l’environnement d’ATLAS. La reconnaissance des traces laissées par les particules dans un détecteur ATLAS-MPX se fait à partir des algorithmes du logiciel MAFalda (“Medipix Analysis Framework”) basé sur les librairies et le logiciel d’analyse de données ROOT. Une étude sur le taux d’identifications erronées et le chevauchement d’amas a été faite en reconstruisant les activités des sources 106Ru et 137Cs. L’efficacité de détection des neutrons rapides a été mesurée à l’aide des sources 252Cf et 241AmBe (neutrons d’énergie moyenne de 2.13 et 4.08 MeV respectivement). La moyenne des efficacités de détection mesurées pour les neutrons produits par les sources 252C f et 241AmBe a été calculée pour les convertisseurs 6LiF et PE et donnent (0.8580 ± 0.1490)% et (0.0254 ± 0.0031)% pour LiF et (0.0510 ± 0.0061)% et (0.0591 ± 0.0063)% pour PE à bas et à haut seuil d’énergie respectivement. Une simulation du calcul de l’efficacité de détection des neutrons dans le détecteur MPX a été réalisée avec le logiciel GEANT4. Des données MPX correspondant aux collisions proton-proton à 2.4 TeV et à 7 TeV dans le centre de masse ont été analysées. Les flux détectés d’électrons et de photons sont particulièrement élevés dans les détecteurs MPX01 et MPX14 car ils sont plus près du point de collision. Des flux de neutrons ont été estimés en utilisant les efficacités de détection mesurées. Une corrélation avec la luminosité du LHC a été établie et on prédit que pour les collisions à 14 TeV dans le centre de masse et avec une luminosité de 10^34 cm-1*s-1 il y aura environ 5.1x10^8 ± 1.5x10^7 et 1.6x10^9 ± 6.3x10^7 particules détectées par les détecteurs MPX01 et MPX14 respectivement.