Authors:	Hafner, Andreas
Title:	Measurement of the e + e - pi + pi - pi + pi - cross section using initial state radiation at BABAR
Online publication date:	16-Feb-2012
Year of first publication:	2012
Language:	english
Abstract:	One of the most precisely measured quantities in particle physics is the magnetic moment of the muon, which describes its coupling to an external magnetic field. It is expressed in form of the anomalous magnetic moment of the muon a_mu=(g_mu-2)/2 and has been determined experimentally with a precision of 0.5 parts per million. The current direct measurement and the theoretical prediction of the standard model differ by more than 3.5 standard deviations. Concerning theory, the contribution of the QED and weak interaction to a_mu can be calculated with very high precision in a perturbative approach.rnAt low energies, however, perturbation theory cannot be used to determine the hadronic contribution a^had_mu. On the other hand, a^had_mu may be derived via a dispersion relation from the sum of measured cross sections of exclusive hadronic reactions. Decreasing the experimental uncertainty on these hadronic cross sections is of utmost importance for an improved standard model prediction of a_mu.rnrnIn addition to traditional energy scan experiments, the method of Initial State Radiation (ISR) is used to measure hadronic cross sections. This approach allows experiments at colliders running at a fixed centre-of-mass energy to access smaller effective energies by studying events which contain a high-energetic photon emitted from the initial electron or positron. Using the technique of ISR, the energy range from threshold up to 4.5GeV can be accessed at Babar.rnrnThe cross section e+e- -> pi+pi- contributes with approximately 70% to the hadronic part of the anomalous magnetic moment of the muon a_mu^had. This important channel has been measured with a precision of better than 1%. Therefore, the leading contribution to the uncertainty of a_mu^had at present stems from the invariant mass region between 1GeV and 2GeV. In this energy range, the channels e+e- -> pi+pi-pi+pi- and e+e- -> pi+pi-pi0pi0 dominate the inclusive hadronic cross section. The measurement of the process e+e- -> pi+pi-pi+pi- will be presented in this thesis. This channel has been previously measured by Babar based on 25% of the total dataset. The new analysis includes a more detailed study of the background contamination from other ISR and non-radiative background reactions. In addition, sophisticated studies of the track reconstruction as well as the photon efficiency difference between the data and the simulation of the Babar detector are performed. With these auxiliary studies, a reduction of the systematic uncertainty from 5.0% to 2.4% in the peak region was achieved.rnrnThe pi+pi-pi+pi- final state has a rich internal structure. Hints are seen for the intermediate states rho(770)^0 f_2(1270), rho(770)^0 f_0(980), as well as a_1(1260)pi. In addition, the branching ratios BR(jpsi -> pi+pi-pi+pi-) and BR(psitwos -> jpsi pi+pi-) are extracted.rn Das magnetische Moment des Myons, das dessen Kopplung an ein externes magnetisches Feld beschreibt, ist eine der am genauesten experimentell bestimmten Größen in der Teilchenphysik. Sie wird durch die Anomalie des magnetischen Momentes des Myons ausgedrückt, a_mu=(g_mu-2)/2, die mit einer relativen Genauigkeit von 0,5*10^-6 gemessen wurde. Die Messung zeigt eine Differenz von mehr als 3,5 Standardabweichungen zur Theorievorhersage im Rahmen des Standardmodells. Auf theoretischer Seite können die Beiträge der Quantenelektrodynamik sowie der schwachen Wechselwirkung mit sehr hoher Präzision mittels eines Störungsansatzes berechnet werden.rnDer hadronische Beitrag a^had_mu läßt sich bei niedrigen Energien nicht störungstheoretisch ermitteln. Es ist jedoch möglich, den führenden Beitrag, die hadronische Vakuumpolarisation, in Form eines Dispersionsintegrals mit gemessenen hadronischen Wirkungsquerschnitten in der Elektron-Positron-Annihilation in Verbindung zu setzen.rnrnFür eine präzise Standardmodellvorhersage von a_mu ist es deshalb essentiell, die experimentellen Unsicherheiten der hadronischen Wirkungsquerschnittsmessungen zu minimieren.\\rnrnZur Messung der hadronischen Wirkungsquerschnitte wird zusätzlich zu den traditionellen Energiescan-Experimenten die Methode der Photonabstrahlung im Anfangszustand (Initial State Radiation, ISR) verwendet. Hierbei werden Ereignisse untersucht, bei denen ein hochenergetisches Photon aus dem Eingangszustand des Elektron-Positron-Systems abgestrahlt wurde und somit die effektive Schwerpunktsenergie absenkt. Mit dieser Methode kann bei Babar der Energiebereich von der hadronischen Produktionsschwelle bis zu ungefähr 4,5GeV untersucht werden.rnrnDer Wirkungsquerschnitt e+e- -> pi+pi- hat mit ungefähr 70% den größten Beitrag zu a_mu^had und ist mit einer Präzision von besser als 1% bekannt. Durch diese Hochpräzisionsmessung kommt der führende Beitrag zur Unsicherheit von a_mu^had von dem Energiebereich zwischen 1GeV und 2GeV, in welchem die Kanäle e+e- -> pi+pi-pi0pi0 und e+e- -> pi+pi-pi+pi- den inklusiven hadronischen Wirkungsquerschnitt dominieren. Die präziseste Messung des Prozesses e+e- -> pi+pi-pi+pi- wird in dieser Doktorarbeit vorgestellt. Dieser Kanal wurde von Babar bereits basierend auf 25% der Gesamtstatistik gemessen. Im Vergleich zur ersten Analyse werden detailliertere Studien des Untergrunds anderer ISR- wie auch nicht-radiativer-Kanäle durchgeführt. Zusätzliche umfangreiche Studien zur Spur- sowie zur Photon-Rekonstruktionseffizienz reduzieren die systematische Unsicherheit in der Peakregion des Wirkungsquerschnittes von 5% auf 2.4%.rnrnNeben der Extraktion des Wirkungsquerschnittes e+e- -> pi+pi-pi+pi- wird eine erste Analyse interner Strukturen durchgeführt, die Hinweise auf resonante Zwischenzustände rho(770)^0 f_2(1270), rho(770)^0 f_0(980) wie auch a_1(1260) pi ergibt. Schließlich werden in dieser Arbeit auch die Verzweigungsverhältnisse BR(jpsi -> pi+pi-pi+pi-) sowie BR(psitwos -> jpsi pi+pi- bestimmt.rn
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-1310
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-30468
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	164 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen