Polarization observables in virtual compton scattering

Abstract

Virtual Compton Scattering (VCS) is an important reaction for understanding nucleon structure at low energies. By studying this process, the generalized polarizabilities of the nucleon can be measured. These observables are a generalization of the already known polarizabilities and will permit theoretical models to be challenged on a new level. More specifically, there exist six generalized polarizabilities and in order to disentangle them all, a double polarization experiment must be performed.

Within this work, the VCS reaction p(e,e p)gamma was measured at MAMI using the A1 Collaboration three spectrometer setup with Q2=0.33 (GeV/c)2. Using the highly polarized MAMI beam and a recoil proton polarimeter, it was possible to measure both the VCS cross section and the double polarization observables. Already in 2000, the unpolarized VCS cross section was measured at MAMI. In this new experiment, we could confirm the old data and furthermore the double polarization observables were measured for the first time. The data were taken in five periods between 2005 and 2006. In this work, the data were analyzed to extract the cross section and the proton polarization. For the analysis, a maximum likelihood algorithm was developed together with the full simulation of all the analysis steps. The experiment is limited by the low statistics due mainly to the focal plane proton polarimeter efficiency. To overcome this problem, a new determination and parameterization of the carbon analyzing power was performed. The main result of the experiment is the extraction of a new combination of the generalized polarizabilities using the double polarization observables.

Virtuelle Compton-Streuung (VCS) ist ein wichtiger Prozess, um die Struktur des Nukleons bei niedrigen Energien zu untersuchen. Über diesen Zugang koennen die Generalisierten Polarisierbarkeiten gemessen werden. Diese Observablen sind die Verallgemeinerung der schon bekannten Polarisierbarkeiten des Nukleons und stellen eine Herausforderung an theoretische Modelle auf bislang unerreichter Ebene dar. Genauer gesagt gibt es sechs Generalisierte Polarisierbarkeiten. Um sie alle separat zu bestimmen, benötigt man ein Doppelpolarisationsexperiment.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die VCS-Reaktion p(e,e p)gamma am MAMI mit der Dreispektrometeranlage bei Q2=0.33(GeV/c)2 gemessen. Mit einem hochpolarisierten Strahl und dem Rückstossprotonen-Polarimeter war es moeglich, sowohl den Wirkungsquerschnitt der Virtuellen Compton-Streuung als auch die Doppelpolarisationsobservablen zu bestimmen. Bereits im Jahre 2000 wurde der unpolarisierte VCS-Wirkungsquerschnitt am MAMI vermessen. Diese Daten konnten mit dem neuen Experiment bestaetigt werden. Die Doppelpolarisationsobservablen hingegen wurden hier zum ersten Mal gemessen. Die Datennahme fand in fuenf Strahlzeiten in den Jahren 2005 und 2006 statt. In der hier vorliegenden Arbeit wurden diese Daten ausgewertet, um den Wirkungsquerschnitt und die Doppelpolarisationsobservablen zu bestimmen. Für die Analyse wurde ein Maximum-Likelihood-Algorithmus entwickelt, ebenso eine Simulation der gesamten Analyseschritte. Das Experiment ist wegen der geringen Effizienz des Protonpolarimeters von der Statistik begrenzt. Um über dieses Problem hinwegzukommen, wurde eine neue Messung und Parametrisierung der Analysierstaerke von Kohlenstoff duchgefuehrt. Das Hauptergebnis dieses Experiments ist eine neue Linearkombination der Generalisierten Polarisierbarkeiten.