Aufbau des Crystal-Ball-Detektorsystems und Untersuchung der Helizitätsasymmetrie in gamma p p pi 0 pi 0

Abstract

Seit Frühjahr 2004 wird der Crystal Ball-Detektor am Photonenstrahl des Mainzer Mikrotrons für Koinzidenzexperimente zur Untersuchung der Struktur der Nukleonen genutzt. Aufbau und Inbetriebnahme des Kalorimeters, insbesondere der neuen Detektorelektronik, bilden einen Schwerpunkt dieser Arbeit. Komponenten wurden neu konstruiert oder auf ihre Verwendbarkeit geprüft und nögenfalls modifiziert. Nach erfolgreichem Abschluss der Aufbauphase wurden Experimente zur Produktion von $\pi$- und $\eta$-Mesonen am Proton mit mehr als 2500 Stunden Strahlbetrieb durchgeführt.

Den zweiten Schwerpunkt der Dissertation bildet die erstmalige Messung der Helizitätsasymmetrie I$^\odot$ in der Photoproduktion zweier neutraler Pionen. Zum Verstädnis des Anregungsspektrums der Nukleonen müssen Experimente mit polarisierten Photonen und/oder polarisierten Targets durchgeführt werden. Da Modelle trotz unterschiedlicher Annahmen unpolarisiert gemessene Größen vergleichbar gut reproduzieren, ist die Bestimmung der auf Modellunterschiede empfindlichen Polarisationsobservablen unumgäglich. Im Gegensatz zur Einpionproduktion tritt in der Zweipionproduktion eine Einfachpolarisationsobservable auf, die mit zirkular polarisierten Photonen am unpolarisierten Proton gemessen werden kann. Diese wurde in der Reaktion $\gamma$ p $\rightarrow$ p $\pi^0$ $\pi^0$ und in $\gamma$ p $\rightarrow$ p $\pi^+$ $\pi^-$ energie- und winkelabhägig bestimmt. Die Ergebnisse weichen stark von den Modellvorhersagen ab.

Since spring 2004 the Crystal Ball Detector has been used for coincidence experiments probing the structure of the nucleons with real photons at the Mainzer Microtron. A major part of the commissioning, which was the first goal of this work, was the development and implementation of a new system for the Crystal Ball electronics. Components were designed or tested and, if necessary, modified to fit the experimental needs. After the commissioning, the set-up was then used successfully in several pion and eta production experiments for more than 2500 hours of beamtime.

The second focus of this dissertation is the first measurement of the beam helicity asymmetry I$^\odot$ in photoproduction of two neutral pions. The understanding of the excitation spectra of the nucleon requires experiments using polarised photons and/or polarised targets. Models based on different assumptions do reproduce the quantities measured without polarisation equally well but differ in the prediction of polarisation observables. The determination of more sensitive quantities is therefore mandatory. In contrast to single meson production, an observable appears in double pion production when using circularly polarized photons incident on an unpolarized target. This observable was determined as a function of energy and angle in the reactions $\gamma$ p $\rightarrow$ p $\pi^0$ $\pi^0$ and in $\gamma$ p $\rightarrow$ p $\pi^+$ $\pi^-$. The results differ significantly from the model predictions.