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Authors: Esser, Anselm
Title: Zerfallspionenspektroskopie leichter Hyperkerne in der Elektroproduktion
Online publication date: 15-Apr-2014
Language: german
Abstract: Am Mainzer Mikrotron können Lambda-Hyperkerne in (e,e'K^+)-Reaktionen erzeugt werden. Durch den Nachweis des erzeugten Kaons im KAOS-Spektrometer lassen sich Reaktionen markieren, bei denen ein Hyperon erzeugt wurde. Die Spektroskopie geladener Pionen, die aus schwachen Zweikörperzerfällen leichter Hyperkerne stammen, erlaubt es die Bindungsenergie des Hyperons im Kern mit hoher Präzision zu bestimmen. Neben der direkten Produktion von Hyperkernen ist auch die Erzeugung durch die Fragmentierung eines hoch angeregten Kontinuumszustands möglich. Dadurch können unterschiedliche Hyperkerne in einem Experiment untersucht werden. Für die Spektroskopie der Zerfallspionen stehen hochauflösende Magnetspektrometer zur Verfügung. Um die Grundzustandsmasse der Hyperkerne aus dem Pionimpuls zu berechnen, ist es erforderlich, dass das Hyperfragment vor dem Zerfall im Target abgebremst wird. Basierend auf dem bekannten Wirkungsquerschnitt der elementaren Kaon-Photoproduktion wurde eine Berechnung der zu erwartenden Ereignisrate vorgenommen. Es wurde eine Monte-Carlo-Simulation entwickelt, die den Fragmentierungsprozess und das Abbremsen der Hyperfragmente im Target beinhaltet. Diese nutzt ein statistisches Aufbruchsmodell zur Beschreibung der Fragmentierung. Dieser Ansatz ermöglicht für Wasserstoff-4-Lambda-Hyperkerne eine Vorhersage der zu erwartenden Zählrate an Zerfallspionen. In einem Pilotexperiment im Jahr 2011 wurde erstmalig an MAMI der Nachweis von Hadronen mit dem KAOS-Spektrometer unter einem Streuwinkel von 0° demonstriert, und koinzident dazu Pionen nachgewiesen. Es zeigte sich, dass bedingt durch die hohen Untergrundraten von Positronen in KAOS eine eindeutige Identifizierung von Hyperkernen in dieser Konfiguration nicht möglich war. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde das KAOS-Spektrometer so modifiziert, dass es als dedizierter Kaonenmarkierer fungierte. Zu diesem Zweck wurde ein Absorber aus Blei im Spektrometer montiert, in dem Positronen durch Schauerbildung abgestoppt werden. Die Auswirkung eines solchen Absorbers wurde in einem Strahltest untersucht. Eine Simulation basierend auf Geant4 wurde entwickelt mittels derer der Aufbau von Absorber und Detektoren optimiert wurde, und die Vorhersagen über die Auswirkung auf die Datenqualität ermöglichte. Zusätzlich wurden mit der Simulation individuelle Rückrechnungsmatrizen für Kaonen, Pionen und Protonen erzeugt, die die Wechselwirkung der Teilchen mit der Bleiwand beinhalteten, und somit eine Korrektur der Auswirkungen ermöglichen. Mit dem verbesserten Aufbau wurde 2012 eine Produktionsstrahlzeit durchgeführt, wobei erfolgreich Kaonen unter 0° Streuwinkel koninzident mit Pionen aus schwachen Zerfällen detektiert werden konnten. Dabei konnte im Impulsspektrum der Zerfallspionen eine Überhöhung mit einer Signifikanz, die einem p-Wert von 2,5 x 10^-4 entspricht, festgestellt werden. Diese Ereignisse können aufgrund ihres Impulses, den Zerfällen von Wasserstoff-4-Lambda-Hyperkernen zugeordnet werden, wobei die Anzahl detektierter Pionen konsistent mit der berechneten Ausbeute ist.
At the Mainz Microtron, lambda-hypernuclei can be produced in (e,e'K^+)-reactions. By detecting the produced kaon in the KAOS spectrometer, reactions in which hyperons have been produced are tagged. The spectroscopy of charged pions, originating in weak two-body decays of light hypernuclei, allows the measurement of the binding energy of the hyperon in the nucleus with high precision. Besides the direct production of hypernuclei, they can also be produced by the fragmentation of a highly excited continuum state. This allows to study different types fo hypernuclei in one experiment. High-resolution magnetic spectrometers are available for the spectroscopy of the decay-pions. To determine the ground-state mass of the hypernucleus it is crucial that the hyperfragment is stopped inside the target before it decays. Based on the known cross section of the elementary kaon photoproduction, a calculation of the expected event rate has been performed. A Monte Carlo simulation has been developed, which includes the the fragmentation and the stopping of the hyperfragments inside the target. It uses a statistical breakup model for the simulation of the fragmentation. This approach allows to predict the count rate of decay-pions from hydrogen-4-lambda-hypernuclei. In a pioneering experiment, performed in 2011, for the first time hadrons could be detected with the KAOS spectrometer at a scattering angle of 0° in coincidence with pions. It became apparent that, due to the high background rate of positrons in KAOS, the clean identification of hypernuclei was impossible in the original set-up. Based on these findings, the KAOS spectrometer was modified to function as a dedicated kaon-tagger. To achieve this, an absorber made of lead was placed inside the spectrometer to stop positrons by producing electromagnetic showers. The effect of such an absorber was studied in a beam test. A simulation based on Geant4 was developed to optimise the set-up of absorber and detectors, and to predict the impact on the data quality. In addition, the simulation was used to calculate individual transfer matrices for Kaons pions and protons, which include the interactions with the lead wall, and therefore allow to correct for these effects. With the improved set-up a production beam time was performed in 2012, during which kaons were successfully detected at 0° scattering angle in coincidence with pions originating in weak decays. In the momentum spectrum of the decay pions a peak can be observed, with a significance corresponding to a p-value of 2.5 x 10^-4. Due to the momentum, these events can be interpreted as weak decays of hydrogen-4-lambda-hypernuclei. The yield of these events is consistent with the prediction.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-4222
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 165 S.
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