Authors:	Griessinger, Konrad
Title:	Measurement of the e+ e- → pi+ pi- 2pi0 and e+ e- → pi+ pi- 3pi0 cross sections using initial state radiation at BaBar
Online publication date:	6-Apr-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	The muon anomalous magnetic moment g_μ-2 is one of the most precisely measured quantities in particle physics. Yet, its measured value deviates from the prediction by the Standard Model of Particle Physics by approximately three standard deviations. The cross section of the process e+ e- → π+ π- 2π0 is one of the main contributors to the uncertainty of the Standard Model prediction of g_μ-2. Therefore an improved understanding of this process is fundamental to gaining closer insight into the g_μ-2 puzzle. The cross section e+ e- → π+ π- 3π0 has never been measured accurately, yielding another uncertainty of g_μ-2. This also hinders the analysis of e+ e- → π+π-2π0 to which it presents a background. This thesis closes both gaps by analyzing the channels e+ e- → π+ π- 2π0 and e+ e- → π+ π- 3π0. The analyses are performed on data taken at the BaBar experiment, which operated at SLAC National Accelerator Laboratory between 1999 and 2008. It gathered a total integrated luminosity of approximately 500 fb^-1 at center-of-mass energies around 10.58 GeV, the rest mass of the ϒ(4S) resonance. This data is used in the present thesis work via the initial state radiation technique, which enables cross section measurements over a continuous energy range. In comparison to energy scan experiments, this results in small and consistent systematic uncertainties over the full range. Due to the extremely high luminosity, ISR processes, even though suppressed by the fine-structure constant α, are produced in large numbers, leading to small statistical uncertainties. This effects the opportunity of measuring the aforementioned cross sections with unprecedented accuracy. At the inception of this thesis, the goal was a systematic accuracy of less than 5% for the analysis of the process e+ e- → π+ π- 2π0 in its peak region. The final result achieves 3.1% accuracy, considerably exceeding the original goal. The analysis of the channel e+ e- → π+ π- 3π0 was not planned at the beginning, and now 25 to 32% accuracy have been reached. In both cases the contribution to g_μ-2 is evaluated as well as the effect on the running of the fine-structure constant Δα. Furthermore, their intermediate resonance structure is studied, yielding among other results the previously unmeasured branching fractions for the processes J/ψ → π+ π- 2π0 and J/ψ → π+ π- 3π0. Das anomale magnetische Moment des Myons, g_μ-2, ist eine der am genauesten gemessenen Größen der Teilchenphysik. Jedoch weicht sein gemessener Wert um etwa drei Standardabweichungen von der Vorhersage des Standardmodells der Teilchenphysik ab. Der Wirkungsquerschnitt des Prozesses e+ e- → π+ π- 2π0 ist einer der Hauptbeiträge zur Unsicherheit der Standardmodellvorhersage von g_μ-2. Daher ist ein verbessertes Verständnis dieses Prozesses essentiell um nähere Erkenntnis über g_μ-2 zu gewinnen. Der Wirkungsquerschnitt des Prozesses e+ e- → π+ π- 3π0 ist noch nie genau vermessen worden, woraus sich eine weitere Unsicherheit von g_μ-2 ergibt. Zusätzlich stellt dies ein Hindernis für die Analyse von e+ e- → π+ π- 2π0 dar, wozu er einen Untergrund beisteuert. Durch diese Dissertation werden beide Lücken geschlossen, da sowohl e+ e- → π+ π- 2π0 als auch e+ e- → π+ π- 3π0 analysiert sind. Die Analysen werden auf Grundlage der Daten des BaBar-Experiments durchgeführt, welches zwischen 1999 und 2008 am SLAC National Accelerator Laboratory stattfand. Es sammelte insgesamt eine integrierte Luminosität von etwa 500 fb^-1 bei Schwerpunktenergien um 10.58 GeV, der Ruhemasse der ϒ(4S)-Resonanz. In dieser Arbeit werden die Daten mittels der ISR-Technik verwendet, welche Wirkungsquerschnittsmessungen über ein stetiges Energieintervall ermöglicht, ohne Veränderung der Beschleunigerparameter. Im Vergleich zu Scan-Experimenten ergeben sich daraus kleine und konsistente systematische Unsicherheiten über den gesamten Energiebereich. Auf Grund der extrem hohen Luminosität werden ISR-Ereignisse, trotz ihrer Unterdrückung um die Feinstrukturkonstante α, in sehr großer Zahl produziert, was zu kleinen statistischen Unsicherheiten führt. Daraus entsteht die Möglichkeit, Wirkungsquerschnitte mit bisher unerreichter Präzison zu bestimmen. Zu Beginn dieser Dissertation bestand das Ziel darin, in der Analyse des Prozesses e+ e- → π+ π- 2π0 eine systematische Unsicherheit von weniger als 5% in dessen Peakbereich zu erreichen. Im Endergebnis werden 3.1% verwirklicht, was das ursprüngliche Ziel deutlich übertrifft. Die Analyse des Kanals e+ e- → π+ π- 3π0 war am Anfang der Arbeit nicht geplant und inzwischen wird eine Präzision von 25 bis 32% erreicht. In beiden Fällen wird der Beitrag zu g_μ-2 ermittelt, sowie der Einfluss auf das Laufen der Feinstrukturkonstante Δα. Desweiteren werden ihre Zwischenresonanzen untersucht, unter anderem die bislang ungemessenen Verzweigungsverhältnisse von J/ψ → π+ π- 2π0 und J/ψ → π+ π- 3π0.
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-4541
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000011996
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	ix, 235 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen