Authors:	Sanchez-Lorente, Alicia
Title:	Feasibility study of performing high precision gamma spectroscopy of lambda lambda hypernuclei in the PANDA experiment
Online publication date:	2-Dec-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	Hypernuclear physics is currently attracting renewed interest, due tornthe important role of hypernuclei spectroscopy rn(hyperon-hyperon and hyperon-nucleon interactions) rnas a unique toolrnto describe the baryon-baryon interactions in a unified way and to rnunderstand the origin of their short-range.rnrnHypernuclear research will be one of the main topics addressed by the {\sc PANDA} experimentrnat the planned Facility for Antiproton and Ion Research {\sc FAIR}.rnThanks to the use of stored $\overline{p}$ beams, copiousrnproduction of double $\Lambda$ hypernuclei is expected at thern{\sc PANDA} experiment, which will enable high precision $\gamma$rnspectroscopy of such nuclei for the first time.rnAt {\sc PANDA} excited states of $\Xi^-$ hypernuclei will be usedrnas a basis for the formation of double $\Lambda$ hypernuclei.rnFor their detection, a devoted hypernuclear detector setup is planned. This setup consists ofrna primary nuclear target for the production of $\Xi^{-}+\overline{\Xi}$ pairs, a secondary active targetrnfor the hypernuclei formation and the identification of associated decay products and a germanium array detector to perform $\gamma$ spectroscopy.rnrnIn the present work, the feasibility of performing high precision $\gamma$rnspectroscopy of double $\Lambda$ hypernuclei at the {\sc PANDA} experiment has been studiedrnby means of a Monte Carlo simulation. For this issue, the designing and simulation of the devoted detector setup as well as of the mechanism to produce double $\Lambda$ hypernuclei have been optimizedrntogether with the performance of the whole system. rnIn addition, the production yields of double hypernuclei in excitedrnparticle stable states have been evaluated within a statistical decay model.rnrnA strategy for the unique assignment of various newly observed $\gamma$-transitions rnto specific double hypernuclei has been successfully implemented by combining the predicted energy spectra rnof each target with the measurement of two pion momenta from the subsequent weak decays of a double hypernucleus.rn% Indeed, based on these Monte Carlo simulation, the analysis of the statistical decay of $^{13}_{\Lambda{}\Lambda}$B has been performed. rn% As result, three $\gamma$-transitions associated to the double hypernuclei $^{11}_{\Lambda{}\Lambda}$Bern% and to the single hyperfragments $^{4}_{\Lambda}$H and $^{9}_{\Lambda}$Be, have been well identified.rnrnFor the background handling a method based on time measurement has also been implemented.rnHowever, the percentage of tagged events related to the production of $\Xi^{-}+\overline{\Xi}$ pairs, variesrnbetween 20\% and 30\% of the total number of produced events of this type. As a consequence, further considerations have to be made to increase the tagging efficiency by a factor of 2.rnrnThe contribution of the background reactions to the radiation damage on the germanium detectorsrnhas also been studied within the simulation. Additionally, a test to check the degradation of the energyrnresolution of the germanium detectors in the presence of a magnetic field has also been performed.rnNo significant degradation of the energy resolution or in the electronics was observed. A correlationrnbetween rise time and the pulse shape has been used to correct the measured energy. rnrnBased on the present results, one can say that the performance of $\gamma$ spectroscopy of double $\Lambda$ hypernuclei at the {\sc PANDA} experiment seems feasible.rnA further improvement of the statistics is needed for the background rejection studies. Moreover, a more realistic layout of the hypernuclear detectors has been suggested using the results of these studies to accomplish a better balance between the physical and the technical requirements.rn Die Hyperkernphysik erfreut sich derzeit wieder einer erh{"o}htenrnAufmerksamkeit, denn die Spektroskopie von Hyperkernen ist ein wichtigesrnHilfsmittel, um die Baryon-Baryon-Wechselwirkung in einheitlichter Weise zurnbeschreiben und den Ursprung ihrer kurzen Reichweite zurnverstehen.\\ Hyperkernforschung ist eines der Hauptthemen, mit dem sich dasrnPANDA-Experiment an der geplanten Anlage f{"u}r Antiproton- undrnIonenforschung FAIR befassen wird. Durch die Nutzung des gespeichertenrnAntiproton-Strahls wird eine ergiebige Erzeugung vonrnDoppelt-$\Lambda$-Hyperkernen erwartet, welche erstmalig diern$\gamma$-Spektroskopie solcher Kerne mit hoher Pr{"a}zision erm{"o}glichenrnwird. Bei PANDA sollen angeregte Zust{"a}nde von $\Xi^-$-Hyperkernen dazurnbenutzt werden, Doppelt-$\Lambda$-Hyperkerne zu erzeugen. F{"u}r derenrnNachweis ist ein eigener Detektoraufbau vorgesehen. Dieser besteht aus einemrnprim{"a}ren Kerntarget f{"u}r die Erzeugung vonrn$\Xi^- $+$\overline{\Xi}$-Paaren, einem sekund{"a}ren aktiven Target f{"u}rrndie Hyperkernbildung und dem Nachweis der damit verbundenen Zerfallsprodukternsowie einem Array aus Germaniumdetektoren zur $\gamma$-Spektroskopie.\\ In derrnhier vorliegenden Arbeit wurde die Machbarkeit einer hochpr{"a}zisenrn$\gamma$-Spektro\-skopie von Doppelt-$\Lambda$-Hyperkernen im PANDA-Experimentrnunter Verwendung von Monte-Carlo-Simulationen untersucht. Hierf{"u}r wurdenrnAufbau und Simulation des Detektorsystems sowie der Mechanismus der Erzeugungrnvon Doppelt-$\Lambda$-Hyperkernen optimiert. %, %ebenso die physikalische %Ergiebigkeit des Gesamtsystems.rnZus{"a}tzlich wurde die Ausbeute der Doppelt-Hyperkern-Produktion in stabilenrnangeregten Zust{"a}nden mit einem statistischen Zerfallsmodellrnuntersucht.\\ Eine Strategie f{"u}r die eindeutige Zuordnung der vielen neurnzu beobachtenden $\gamma$-{"U}ber\-g{"a}nge zu spezifischenrnDoppelt-Hyperkernen wurde erfolgreich implementiert, indem die vorhergesagtenrnEnergie-Spektren eines jeden Targets mit der Messung der zwei Pion-Impulse ausrndem nachfolgenden schwachen Zerfalls der Doppelt-Hyperkerne kombiniertrnwurden.\\ Eine Methode zur Behandlung des Untergrunds basierend aufrnZeit-Messungen wurde ebenfalls implementiert. Jedoch liegt der Anteil derrnmarkierten Ereignisse, die im Zusammenhang mit der Erzeugung vonrn$\Xi^-$+$\overline{\Xi}$-Paaren stehen, nur zwischen 20\% und 30\%. Daherrnwurden weitere {"U}berlegungen angestellt, um diesen Wert um einen Faktorrnzwei zu erh{"o}hen. Der Beitrag der Untergrundreaktionen zu denrnStrahlensch{"a}den an den Germanium-Detektoren wurde ebenfalls in derrnSimulation untersucht. Zus{"a}tzlich wurde ein Test durchgef{"u}hrt, um diernVerminderung der Energieaufl{"o}sung der Germanium-Detektoren bei Anwesenheitrnvon Magnetfeldern zu {"u}berpr{"u}fen. Es wurden keine signifikantenrnVerschlechterungen der Energieaufl{"o}sung oder in der Elektronikrnbeobachtet. Eine Korrelation zwischen der Anstiegszeit und der Pulsform wirdrnbenutzt, um die gemessene Energie zu korrigieren.\\ Alles in allem erscheintrndie Durchf{"u}hrung der $\gamma$-Spektroskopie vonrnDoppelt-$\Lambda$-Hyper\-kernen im PANDA-Experiment m{"o}glich. Eine weiterernVerbesserung in der Statistik wird f{"u}r die Untersuchung derrnUntergrund-Unterdr{"u}ckung ben{"o}tigt. Dar{"u}berhinaus wurde einrnrealit{"a}tsn{"a}herer Aufbau des Hyperkern-Detektors vor\-geschlagen, welcherrndie Ergebnisse der hier vorgestellten Untersuchungen nutzt, um ein besseresrnGleichgewicht zwischen physikalischen und technischen Anforderungen zurnerreichen.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1010
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-24628
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	214 S.
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