Authors:	Krupina, Nadiia
Title:	Model-independent determination of proton polarizabilities from Compton scattering
Online publication date:	6-Feb-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	The scalar and spin polarizabilities of the proton are fundamental quantities that characterize the ability of proton’s constituents to rearrange themselves in external electromagnetic fields. Their PDG values combine the Dispersion relation (DR) and the chiral perturbation theory (ChPT) results, whereas individually these theoretical approaches yield different values. In particular, ChPT and fixed-t DR (combined with Compton scattering data) give at present different values of the magnetic polarizability. Here we offer two model-independent approaches to extract the polarizabilities which are based on the low-energy and multipole expansions of Compton scattering observables. These approaches are complementary to the existing theoretical methods, and as such they give additional insight into the problem. What is more important, they offer an additional route to calculate observables that potentially can resolve the contro- versy over the values of the polarizabilities. In the first part of this dissertation we derive the low-energy expansions of the helicity amplitudes and observables for the beam and spin-1/2 target polarizations. Here we identify and study three independent spin asymmetries which can be used to measure the proton polarizabilities. In particular, we show that the leading-order non-Born contribution to the beam asymmetry is given by the magnetic polarizability alone. Hence, this observable is a good candidate for a precision measurement of the magnetic dipole polarizability. To support this statement, we present preliminary results of a pilot measurement of the beam asymmetry below the pion production threshold. These results are obtained by the A2 collaboration at the Mainz Microtron. We provide a similar analysis for the target asymmetries, which, as we argue, give an access to the proton spin polarizabilities. In the second part of this dissertation we obtain the multipole expansions of the helicity amplitudes and observables below the pion production threshold. To this end, we develop a fitting procedure which yields the scalar and spin polarizabilities from unpolarized Compton scattering data. We make several fits either using the full database or excluding a few inconsistent data points. We find that in the former case the fitted scalar polarizabilities coincide with the values in the DR framework, whereas in the latter case they are similar to the values computed using the baryon ChPT approach. This observation allows us to suggest that the difference between the baryon ChPT and DR values of the scalar polarizabilities is due to inconsistencies in the database used in the DR analysis. To resolve this inconsistency we propose to measure the unpolarized Compton scattering cross section at energy E= 110 MeV and backward angles. As far as the spin polarizabilities are concerned, the values we extract are consistent among the different fits, and are as well consistent with the values obtained in the baryon ChPT and DR analyses. The presented multipole analysis of Compton scattering is the first of its kind. We believe that in the near future it will give us a unique opportunity to obtain accurate values of the polarizabilities in a model-independent way. The achievement of this goal will be facilitated by improvements of the existing data that are to come in the following years at experimental facilities around the globe, in particular, at the Mainz Microtron, and at the high-intensity electron facility MESA which currently is under construction in Mainz. Die Skalar- und Spinpolarisierbarkeiten des Protons sind fundamentale Größen, welche die Fähigkeit der Protonkonstituenten charakterisieren, sich in externen elektromagnetischen Feldern auszurichten. Bis heute sind ihre genauen Werte weitgehend unbekannt, da die unterschiedlichen, theoretischen Ansätze verschiedene Resultate ergeben. Beispielsweise liefern die chirale Störungs- theorie (ChPT) sowie fixed-t dispersion relation (DR) Frameworks offensichtlich unterschiedliche Werte der magnetischen Polarisierbarkeit. Diese Arbeit liefert zwei modellunabhängige Ansätze zur Extraktion der Polarisierbarkeiten, welche auf Niedrigenergie- und Multipolentwicklungen von Observablen der Compton-Streuung basieren. Diese Ansätze verhalten sich zu den bereits existierenden, theoretischen Methoden komplementär und liefern als solche eine zusätzliche Einsicht in das betrachtete Problem. Noch wichtiger ist, dass sie eine weitere Möglichkeit darstellen, Observablen zu berechnen, welche eventuell die Kontroverse zwischen den Werten der Polarisierbarkeiten auflösen könnten. Im ersten Teil der Dissertation leiten wir die Niedrigenergie-Entwicklung der Helizitätsamplituden und der Observablen für die Strahl- und Targetpolarisation mit Spin-1/2 ab. Wir bestimmen und untersuchen drei unabhängige Spinasymmetrien, welche zur Messung der Polarisierbarkeiten des Protons verwendet werden können. Im Besonderen zeigen wir, dass der nicht- bornsche Beitrag führender Ordnung zur Strahlasymmetrie allein durch die magnetische Polarisierbarkeit gegeben ist. Somit stellt diese Observable ein guter Kandidat für eine präzise Messung der magnetischen Dipolpolarisierbarkeit dar. Um diese Aussage zu unterstützen, präsentieren wir vorläufige Resultate einer Pilotmessung der Strahlasymmetrie unterhalb der Pionproduktionsschwelle. Diese Resultate wurden von der A2 Kollaboration am Mainzer Mikrotron gewonnen. Wir liefern eine ähnliche Analyse für die Targetasymmetrien, welche, nach unserer Argumentation, einen Zugang zu den Spinpolarisierbarkeiten des Protons darstellen. Im zweiten Teil dieser Dissertation erhalten wir die Multipolentwicklungen der Helizitätsamplituden und Observablen unterhalb der Pionproduktionsschwelle. Zu diesem Zweck entwickeln wir eine Fitprozedur, welche die Skalar- und Spinpolarisierbarkeiten aus Daten der unpolarisierten Compton-Streuung liefert. Wir führen zahlreiche Fitanpassungen durch, sowohl auf Basis aller vorhandenen Daten, als auch unter Ausschluss weniger, inkonsistenter Datenpunkte. Wir stellen fest, dass im ersteren Fall die gefitteten Skalarpolarisierbarkeiten mit den Werten, welche im DR Framework gewonnen wurden, übereinstimmen, während sie im letzteren Fall eine Ähnlichkeit zu den Werten aufweisen, welche unter Verwendung des Baryon ChPT Ansatzes berechnet wurden. Aufgrund dieser Beobachtung schlagen wir vor, dass die Unterschiede zwischen den Werten der Skalarpolarisierbarkeiten, welche unter Verwendung der Modelle des Baryon ChPT Ansatzes beziehungsweise des DR Frameworks gewonnen wurden, durch Inkonsistenzen innerhalb der Daten der DR- basierten Analyse bedingt sind. Um diese Inkonsistenzen zu beseitigen, schlagen wir vor, den Wirkungsquerschnitt der unpolar- isierten Compton-Streuung bei einer Energie von E= 110 MeV und unter Rückwärtswinkeln zu messen. Bezüglich der Spinpolarisierbarkeiten sind die von uns, unter Verwendung der aus unterschiedlichen Fitanpassungen extrahierten Werte, untereinander konsistent. Ebenso decken sie sich mit den Werten, welche in der Baryon ChPT sowie der DR-basierten Analyse gewonnen wurden. Die von uns vorgestellte Multipolanalyse der Compton-Streuung ist die Erste ihrer Art. Es ist unsere Überzeugung, dass sie uns in naher Zukunft die einzigartige Möglichkeit eröffnen wird, präzise Werte der Polarisierbarkeiten auf modellunabhängigem Wege zu erhalten. Die Erreichbarkeit dieses Ziels wird durch die Verbesserung des existierenden Datenbestands durch experimentelle Einrichtungen auf der ganzen Welt innerhalb der kommenden Jahre erleichtert. Im Besonderen sind dies das Mainzer Mikrotron sowie die derzeit im Aufbau befindliche, neue Linearbeschleunigeranlage MESA, welche einen Elektronenstrahl mit sehr hoher Intensität bereitstellen wird.
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-2804
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000009932
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	viii, 94 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen