Authors:	Boucher, Jérôme
Title:	Feasibility studies of the pp pi 0 e + e - electromagnetic channel at PANDA
Online publication date:	16-Feb-2012
Year of first publication:	2012
Language:	english
Abstract:	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. Unter allen möglichen Anwendungen von Quark und Antiquark Montage ist das Nukleon (das Proton und das Neutron) das stabilste aller Hadronen und folglich war es Gegenstand intensiver Untersuchungen. Masse, Form, Radius und komplexe Darstellungen von seiner inneren Struktur sind seit mehreren Jahrzehnten mit verschiedenen Sonden gemessen worden. Das Proton (Spin 1/2) ist durch die elektrischen GE und magnetischen GM Formfaktoren, die die interne Strukturrncharakterisieren, beschrieben. Der einfachste Weg um die Formfaktoren der Protonen zu messen, besteht aus der Messung der Winkelverteilung der elastischen Streuung des eptoep, zugreifend auf die sogenannte Space-Like Region, wo q2 < 0 ist. Mit dem Cross-Channel antiproton proton --> pi0 e+ e-greift die kinematische Region, die sogenannte Time-Like Region, wo q2 > 0 ist. Aufgrund der antiproton proton <--> e+ e- Schwelle q2th, ist allerdings nur die kinematische Domain q2 > q2th > 0 verfügbar. Um auf die unphysikalische Region zuzugreifen, kann man mit die antiproton proton --> pi0 e+ e- Reaktion nutzen, bei der pi0 einen Teil der Systemenergie nimmt, was erlaubt q2 zwischen q2th bis nahezu 0 zu variieren. Diese Arbeit zielt darauf hin, die Durchführbarkeit solcher Messungen mit dem PANDA-Detektor zu zeigen, der auf dem neuen hochintensiven Antiproton-Ring an der FAIR-Anlage installiert werden soll in Darmstadt. Zur Beschreibung der antiproton proton --> pi0 e+ e- Reaktion wird ein Lagrange-Ansatz entwickelt. Der 5-fache Differentialquerschnitt ist bestimmt und verwandt mit linearen Kombinationen von hadronischen Tensoren. Unter der Annahme eines Nukleonenaustauschs sind die hadronischen Tensoren in Bezug auf das 2-Komplex-Proton elektromagnetischer Formfaktoren wiedergegeben. Eine Extraktionsmethode, die einen Zugriff auf des Protons elektromagnetische Formfaktorverhältnis R = |GE|/|GM| bietet und zum ersten Mal in einem unpolarisierten Experiment ist um Cosinus die Phasenverschiebung entwickelt. Solche Messungen wurden bis heute noch nie in der unphysikalischen Region durchgeführt. Es wurden erweiterte Simulationen durchgeführt um zu zeigen, wie das Verhältnis R und der Cosinus von der Positronen-Winkelverteilung extrahiert werden können. Darüber hinaus ist ein Modell für die antiproton proton --> pi0 pi+ pi- Hintergrundreaktion entwickelt, die als die gefährlichste betrachtet wird. Der Hintergrund zum Querschnittsverhältnissignal wurde unter verschiedenen Kombinationen von Schnitten der Teilchenidentifizierungsinformationen aus den verschiedenen Detektoren und kinematischen Passformen geschtzt. Die Hintergrundsdistribution kann auf das Prozent-Niveau oder sogar noch weniger reduziert werden. Die entsprechende Signaleffizienz reicht von wenigen % bis 30%. Die Genauigkeit der Bestimmung des Verhältnisses R und des Cosinus wird anhand der erwarteten Zählraten über die Monte-Carlo-Methode ermittelt. Ein Teil dieser Arbeit ist auch mehr der technischen Arbeit mit dem Studium des Prototyps der elektromagnetischen Kalorimeter und der Bestimmung ihrer Auflösung gewidmet.
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-1300
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-30315
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	136 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen