Authors:	Linturi, James Mugambi
Title:	Study of the helicity dependence of pi 0 photoproduction on proton at MAMI
Online publication date:	5-Nov-2015
Year of first publication:	2015
Language:	english
Abstract:	The excitation spectrum is one of the fundamental properties of every spatially extended system. The excitations of the building blocks of normal matter, i.e., protons and neutrons (nucleons), play an important role in our understanding of the low energy regime of the strong interaction. Due to the large coupling, perturbative solutions of quantum chromodynamics (QCD) are not appropriate to calculate long-range phenomena of hadrons. For many years, constituent quark models were used to understand the excitation spectra. Recently, calculations in lattice QCD make first connections between excited nucleons and the fundamental field quanta (quarks and gluons). Due to their short lifetime and large decay width, excited nucleons appear as resonances in scattering processes like pion nucleon scattering or meson photoproduction. In order to disentangle individual resonances with definite spin and parity in experimental data, partial wave analyses are necessary. Unique solutions in these analyses can only be expected if sufficient empirical information about spin degrees of freedom is available. The measurement of spin observables in pion photoproduction is the focus of this thesis. The polarized electron beam of the Mainz Microtron (MAMI) was used to produce high-intensity, polarized photon beams with tagged energies up to 1.47 GeV. A "frozen-spin" Butanol target in combination with an almost 4π detector setup consisting of the Crystal Ball and the TAPS calorimeters allowed the precise determination of the helicity dependence of the γp → π0p reaction. In this thesis, as an improvement of the target setup, an internal polarizing solenoid has been constructed and tested. A magnetic field of 2.32 T and homogeneity of 1.22×10−3 in the target volume have been achieved. The helicity asymmetry E, i.e., the difference of events with total helicity 1/2 and 3/2 divided by the sum, was determined from data taken in the years 2013-14. The subtraction of background events arising from nucleons bound in Carbon and Oxygen was an important part of the analysis. The results for the asymmetry E are compared to existing data and predictions from various models. The results show a reasonable agreement to the models in the energy region of the ∆(1232)-resonance but large discrepancies are observed for energy above 600 MeV. The expansion of the present data in terms of Legendre polynomials, shows the sensitivity of the data to partial wave amplitudes up to F-waves. Additionally, a first, preliminary multipole analysis of the present data together with other results from the Crystal Ball experiment has been as been performed. Das Anregungsspektrum ist eine der fundamentalen Eigenschaften jedes räumlich ausgedehnten Systems. Die Spektren der Grundbausteine der Materie, also der Protonen und Neutronen (Nukleonen), spielen eine wichtige Rolle beim Verständnis der starken Wechselwirkung bei niedrigen Energien. Wegen der starken Kopplung sind Techniken, die auf einer Störungsentwicklung aufbauen, keinegeeigneten Ansätze zur Berechnung von hadronischer Phänomene bei großen Abständen. Über viele Jahre wurden Konstituentenquarkmodelle entwickelt, um Anregungen von Hadronen zubeschreiben. Seit einigen Jahren ist es im Rahmen Gitter-QCD möglich, erste Verbindungen zwischen angeregten Nukleonen und den fundamentalen Feldquanten (Quarks und Gluonen) herzustellen. Wegen der kurzen Lebensdauer und der großen Zerfallsbreite, treten angeregte Nukelonen als Resonanzen in Streuprozessen wie der Pion-Nukleon Streuung oder der Photoproduktion von Mesonen in Erscheinung. Um einzelne Resonanzen mit definiertem Spin und Parität in experimentellen Daten zu identifizieren sind Partialwellenanalysen notwendig. Eindeutige Lösungen solcher Analysen kann man allerdings nur dann erwarten, wenn ausreichend Information über Spin-Freiheitsgrade vorhanden ist. Die Messung von spinabhängigen Observablen der Photoproduktion von Pionen ist ein Schwerpunkt dieser Arbeit. Der polarisierte Elektronenstrahl des Mainzer Mikrotons (MAMI) wird zur Erzeugung hoch intensiver, polarisierter und energiemarkierter Photonenstrahlen bis zu 1,47 GeV verwendet. Ein "frozen-spin" Butanol Target in Kombination mit einem Detektorsystem, das fast den gesamtenRaumwinkel abdeckt und aus den Crystal Ball und TAPS Kalorimetern aufgebaut ist, erlaubte die präzise Bestimmung der Helizitätsabhängigkeit der γp → π0p Reaktion.Als Verbesserung des Targets wurde im Rahmen dieser Arbeit ein supraleitender Solenoid als interner Polarisationsmagnet entwickelt und getestet. Dabei wurde ein Magnetfeld von 2,32 T bei einer Homogenität von 1.22×10−3 über dem Targetvolumen erreicht.Die Helizitätsasymmetrie E, also die Differenz der Zählraten bei Gesamthelizität 1/2 und 3/2 dividiert durch die Summe, wurde mit Daten aus den Jahren 2013-15 bestimmt. Die Ergebnisse werden mit existierenden Daten sowie mit Modellvorhersagen verglichen. Im Bereich der ∆(1232)-Resonanz findet man eine gute Übereinstimmung mit Modellen, oberhalb von 600~MeV werden die Abweichungen dagegen groß. Eine Entwicklung der gewonnenen Daten nach Legendre-Polynomen zeigt eine Empfindlichkeit auf Partialwellenamplituden bis zu F-Wellen. Darüber hinaus wurden die neuen Daten in einer ersten vorläufigen Partialwellenanalyse zusammen mit anderen Daten des Crystal Ball Experiments verwendet.
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-1276
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-41870
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen