Pi +-Elektroproduktion an der Schwelle

Abstract

Die Messung der Elektroproduktion geladener Pionen in der Nähe der Produktionsschwelle ermöglicht die Bestimmung des axialen Formfaktors des Nukleons G_A(Q²) und aus seinem Verlauf die Extraktion der axialen Masse M_A. Diese Größe kann im Rahmen der chiralen Störungstheorie vorhergesagt werden, so daß ihre experimentelle Bestimmung eine Überprüfung der theoretischen Beschreibung des Nukleons erlaubt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die bereits am Institut für Kernphysik der Universität Mainz in der A1- Kollaboration durchgeführten Messungen der Reaktion H(e,e'Pi+)n bei einer Schwerpunktsenergie von W = 1125 MeV und einem Vierer- impulsübertrag Q² von 0.117, 0.195 und 0.273 (GeV/c)² durch eine weitere Messung bei Q² = 0.058 (GeV/c)² ergänzt. In einer zweiten Meßperiode wurden zusätzlich die Messungen für die Q²-Werte von 0.117 und 0.195 (GeV/c)² wiederholt. Für alle Q²-Werte wurden Daten bei mindestens drei verschiedenen Werten der Polarisation des virtuellen Photons genommen, so daß für alle Messungen eine Rosenbluthseparation durchgeführt werden konnte, um den transversalen und den longitudinalen Anteil des Wirkungsquerschnitts zu bestimmen. Das Ergebnis für Q² = 0.195 (GeV/c)² stimmt im Rahmen der Fehler mit dem alten Ergebnis überein, für Q² = 0.117 (GeV/c)² ergibt sich eine deutliche Abweichung des longitudinalen Anteils. Das Ergebnis für Q² = 0.058 (GeV/c)² liegt unter der aus den alten Messungen gewonnenen Vorhersage.

Der induzierte pseudoskalare Formfaktor des Nukleons G_P(Q²) kann ebenfalls in der Pionelektroproduktion bestimmt werden, wenn die Messung bei einer Schwerpunktsenergie nur wenige MeV über der Produktionsschwelle stattfindet. Eine solche Messung erfordert den Nachweis von Pionen mit kinetischen Energien unter 35 MeV, für den die in der A1-Kollaboration vorhandenen Spektrometer nicht geeignet sind. Im apparativen Teil der Arbeit wurde daher ein Szintillatorhodoskop für ein dediziertes Pionspektrometer mit kurzer Weglänge gebaut und getestet. Außerdem wurden für dieses sogenannte Short-Orbit-Spektrometer drei Kollimatoren entworfen und eingebaut.

Charged pion electroproduction allows the determination of the axial form factor of the nucleon, G_A(Q²), which can be parametrized by a dipole form with the axial mass M_A as parameter. This quantity can be predicted in chiral perturbation theory, therefore this experiment provides a test of the theoretical description of the nucleon.

At the Institut für Kernphysik, University of Mainz, measurements had been carried out at a center of mass energy of W = 1125 MeV and four-momentum transfers Q² of 0.117, 0.195 and 0.273 (GeV/c)². Within the scope of this thesis, these measurements have been extended by another measurement at Q² = 0.058 (GeV/c)². In addition, in a second period of data taking the measurements for values of Q² of 0.117 and 0.195 (GeV/c)² have been repeated. For all values of Q² data have been taken at at least three different values of the polarisation of the virtual photon, allowing a Rosenbluth separationfor all measurements to determine the transverse and the longitudinal cross section. The result at Q² = 0.195 (GeV}/c)² is consistent with the old result within the error bars, at Q² = 0.117 (GeV/c)² a significant discrepancy of the longitudinal cross section is observed. The result at Q² = 0.058 (GeV}/c)² lies below the prediction derived from the old measurements.

The induced pseudoscalar form factor of the nucleon G_P(Q²) may also be determined from pion electroproduction, if the measurement takes place only a few MeV above the production threshold. Such a measurement requires the detection of pions with kinetic energies below 35 MeV, which the currently available spectrometers are not capable of. Therefore, in the apparative part of this thesis a scintillator hodoscope for a dedicated pion spectrometer was built and tested. Also, for this so-called Short Orbit Spectrometer three collimators were designed and installed.