Authors:	Ripka, Martin
Title:	Measurement of the cross section of the reactions e+e- -> pi+pi-2pi0 and e+e- -> pi+pi-3pi0 at BESIII
Online publication date:	22-Jan-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	Die Frage nach der Existenz von Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik ist eine der wichtigsten Fragestellungen der Physik. Physik jenseits des Standardmodells wird in zwei Forschungsrichtungen gesucht. Die eine ist die direkte Suche nach neuen schweren Teilchen im Bereich der Hochenergie-Physik auf der TeV Skala. Die zweite ist die Suche nach neuen Resonanzen oder Abweichungen zwischen Experiment und Theorie auf dem Gebiet der Niederenergie-Präzisions-Physik. Diese Arbeit leistet einen Beitrag in letzterem Bereich und beschäftigt sich mit der Standardmodellvorhersage des anomalen magnetischen Moments des Myons a_mu. Diese physikalische Größe beschreibt die Wechselwirkung eines Myons mit einem externen elektromagnetischen Feld. Sie wurde experimentell mit einer relativen Genauigkeit von 0,5*10^(-6) bestimmt. Allerdings weicht der gemessene Wert um mehr als drei Standardabweichungen von der theoretischen Vorhersage ab. In der Berechnung von a_mu treten neben den Beiträgen der Quantenelektrodynamik auch Korrekturbeiträge der schwachen Wechselwirkung und der Quantenchromodynamik (QCD) auf. Im Gegensatz zu den beiden anderen Beiträgen kann der QCD-Beitrag nicht störungstheoretisch berechnet werden. Er besteht aus dem hadronischen Vakuumpolarisations-Beitrag und dem hadronischen Licht-an-Licht-Streuungs-Beitrag. Letzterer kann mittels des Optischen Theorems auf hadronische Wirkungsquerschnitte zurückgeführt werden. Diese wiederum können in Elektron-Positron Vernichtungsreaktionen experimentell gemessen werden. In dieser Arbeit wird der Wirkungsquerschnitt des Prozesses e+e- -> pi+pi-2pi0 experimentell bestimmt, welcher einen großen Beitrag zur Unsicherheit des Vakuumpolarisations-Beitrages von a_mu liefert. Der Vakuumpolarisationsanteil von a_mu wird vom Wirkungsquerschnitt unterhalb von 1,8 GeV dominiert. Das Ziel ist es, diese Unsicherheit durch eine Präzisionsmessung zu reduzieren. Diese Messung wird mit Daten des BESIII-Experiments am BEPCII-Beschleunigerzetrum in Peking, China, durchgeführt. Es werden Daten verwendet, deren Schwerpunktsenergie der Elektron-Positron-Kollision von 3,773 GeV entsprechen. Daher wird die Methode der Abstrahlung eines Photons im Anfangszustand angewendet. Diese Methode ermöglicht es, den Wirkungsquerschnitt als kontinuierliches Spektrum unterhalb einer Energie der Schwerpunktsenergie zu messen. Um die für a_mu notwendige Präzision zu erreichen, sind neben der Messung des Wirkungsquerschnitts des Prozesses e+e- -> pi+pi-2pi0 Effizienzstudien der pi0 Rekonstruktion, sowie genaue Messungen der Wirkungsquerschnitte der Prozesse e+e- -> pi+pi-3pi0 und e+e- -> pi+pi-3pi0gamma_ISR erforderlich. Diese treten als Untergrundbeiträge zu e+e- -> pi+pi-2pi0 auf. Dadurch ist es gelungen den systematischen Fehler der Messung auf etwa 3% in dem für a_mu wichtigen Bereich des e+e- -> pi+pi-2pi0 Wirkungsquerschnitts zu minimieren. Auch der Wirkungsquerschnitt des Prozesses e+e- -> pi+pi-3pi0 wird in dieser Arbeit behandelt. The search for physics beyond the Standard Model of particle physics is one of the most challenging topics of modern particle physics. Physics beyond the Standard Model has two frontiers. The first one is the search for new heavy particles in the field of high energy physics at energies above the TeV scale. The second is the search of weakly coupled new forces at the low energy precision frontier. This thesis is placed in the field of low energy precision physics and deals with the Standard Model prediction of the anomalous magnetic moment of the muon a_mu. This observable describes the interaction of a muon with an external electromagnetic field. It has been measured experimentally to a relative precision of 0.5*10^(-6). However, there is a discrepancy of more than three standard deviations between the experimentally measured value and the Standard Model prediction. Besides the contribution from quantum electrodynamics, the calculation also involves higher order quantum corrections from the weak interaction and quantum chromodynamics (QCD). The QCD contribution cannot be calculated in terms of perturbation theory as the other contributions. It further decomposes into a hadronic light-by-light contribution and a hadronic vacuum polarization contribution. The latter one can be related to hadronic cross sections via the optical theorem. The hadronic cross sections can be measured in electron positron annihilation processes. This thesis presents a measurement of the processes e+e- -> pi+pi-2pi0, which contribute with a large uncertainty to the vacuum polarization contribution of a_mu. The dispersion integral used to calculate the vacuum polarization correction is dominated by the hadronic cross sections in the region below 1.8 GeV. The goal of this thesis is to reduce this uncertainty by a new precise measurement. This measurement uses data taken with the BESIII detector located at the BEPCII accelerator facility in Beijing, China. The initial state radiation method is used to measure the cross section as a continuous spectrum in the interesting region below the center of mass energy, though the center of mass energy of the used data is 3.773 GeV. In order to reach the desired precision, it is not sufficient to measure only the processes e+e- -> pi+pi-2pi0. New precise efficiency studies of the pi0 reconstruction as well as detailed measurements of the background processes e+e- -> pi+pi-2pi0 and e+e- -> pi+pi-3pi0gamma_ISR are necessary. With these efforts it was possible to optimize the systematic uncertainty of the measurement to about 3% in the energy region that is important for a_mu. Moreover, the cross section of the process e+e- -> pi+pi-2pi0 is measured in this thesis.
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-2833
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000018155
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VII, 181 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen