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Studying excited states of the nucleon with the HADES detector at GSI

Scozzi, Federico (2020):
Studying excited states of the nucleon with the HADES detector at GSI.
Darmstadt, Technische Universität, DOI: 10.25534/tuprints-00009713,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Studying excited states of the nucleon with the HADES detector at GSI
Language: English
Abstract:

The subject of this thesis is the analysis of dielectron (e+e-) production channels produced in pion induced reactions at a center of mass energy close to 1.5 GeV, where baryon resonances in the second resonance region (N(1440), N(1520), N(1535),...) can be excited. The objective is to bring information on electromagnetic baryon transitions in an unexplored kinematic region, where vector mesons (ρ, ω ) are expected to play an important role. These measurements can also be used as a reference for studies of in-medium e+e- production, aiming at investigating the modifications of the ρ meson spectral function at finite baryonic densities. While experimentally more challenging, pion-induced reactions constitute a more direct tool to study baryon transitions. The measurement of hadronic channels by the HADES collaboration in the pion-nucleon reactions allowed to enrich the very scarce existing data base and, using also the very rich photon-induced data, to perform a new Partial Wave Analysis to extract information on baryonic resonance properties. The results of this analysis are used as a valuable input for the analysis of the electromagnetic channels. The present analysis is based on a commissioning experiment carried out with the High Acceptance Di-Electron Spectrometer (HADES), using the GSI secondary pion beam impinging on carbon and polyethylene targets. The document begins with a presentation of the results already obtained by the HADES collaboration concerning dielectron production in nucleus-nucleus, nucleon-nucleus or nucleon-nucleon and of the scarce existing results for pion-induced reactions. It is followed by a description of the HADES experiment and of the pion beam line. Then the different steps of the data analysis are presented, with a focus on the electron identification. For this purpose a careful study on how to tune in simulation the response of the RICH detector, fundamental for the discrimination between pions and electrons, is performed. The extraction of the signal for dielectron production, including combinatorial background subtraction and normalization is then discussed, together with the problems of subtracting the carbon contribution from the polyethylene target to study pion-nucleon interactions. All the contributions to the efficiency of the measurement are carefully taken into account and the systematic errors are estimated. The existing tools for the interpretation of the data are then presented. In addition to existing models for the π−p → ne+ e− reaction, the results of Partial Wave analysis of the γn →π −p reaction as well as for π− p → 2πN channels can be used. The e+e− invariant mass distribution shows a clear enhancement with respect to a production by point-like baryons, and confirms the significant role of off-shell ρ mesons in electromagnetic form factors in this kinematic range. Results of the analysis of the angular distributions using the framework of the spin density matrix are also compared to a theoretical model based on several resonance contributions. This demonstrates the additional information provided by angular distributions to extract information on electromagnetic structure of baryon transitions. This analysis is used to motivate further experiments to study electomagnetic transitions involving non-strange baryons in the third resonanceregion or hyperons.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Thema dieser Dissertation ist die Analyse der Kanäle zur Erzeugung von Dielektronen (e + e − ) in Pion induzierten Reaktionen bei einer Schwerpunktsenergie von ungefähr 1.5 GeV. Bei solchen Energien können baryonische Resonanzen in einem energetisch höher liegenden Resonanzbereich (N(1440), N(1520), N(1535),...) angeregt werden. Ziel ist es die elektromagnetischen Übergänge von Baryonen in einem bislang unerforschten kinematischen Bereich zu untersuchen, in dem Vektormesonen (ρ, ω) eine wichtige Rolle spielen. Diese Messungen dienen auch als Bezugspunkt für Untersuchungen von e + e − Zerfällen bei höheren Baryonendichten, wo die Spektralfunktionen von Vektormesonen modifiziert werden. Die Pion induzierten Reaktionen sind experimentell herausfordernd, bilden jedoch ein wichtiges Werkzeug zur direkten Untersuchung von Übergängen von Baryonen. Die Messungen (der HADES Kollaboration) von hadronischen Kanälen in von Pion induzierten Reaktionen haben den bisweilen knappen Datensatz erweitert. Zusammen mit einem großen Datensatz aus Photon induzierten Reaktionen haben sie es ermöglicht eine neue Partialwellenanalyse durchzuführen, die es erlaubt neuen Informationen über die Eigenschaften der Baryonenresonanzen zu extrahieren. Die Ergebnisse der vorliegenden Analyse sind ein bedeutender Beitrag zur Auswertung der elektromagnetischen Kanäle. Es wurde ein Experiment mit dem High Acceptance Di-Electron Spectrometer (HADES) und dem GSI Sekundärstrahl von Pionen, die auf Kohlenstoff- und Polyethylen- Targets geschossen wurden, ausgewertet. Diese Dissertation gibt einen Überblick über die bisherigen Ergebnisse der HADES Kollaboration zur Erzeugung von Dielektronen in Nukleon-Nukleon-, Nukleon-Kern- und Kern-Kern-Reaktionen. Die wenigen bisherigen Daten aus Pion induzierten Reaktionen werden diskutiert und der Aufbau des HADES Experiments und der Pionen-Strahführung beschrieben. Im Folgenden werden die Schritte der Datenanalyse vorgestellt. Schwerpunktsmäßig wird die Leptonenidentifikation diskutiert. Die sorgfältige Anpassung von Simulation-sparametern des RICH Detektors, der einen essentiellen Beitrag zur Unterscheidung zwischen Elektronen und Pionen liefert, ermöglicht eine präzise Effizienzkorrektur der rekon- struierten Daten. Die Bestimmung und der Abzug des kombinatorischen Untergrundes, sowie die Normierung and die Subtraktion des Beitrags von Pion- Kohlenstoff Reaktionen im Falle des Polyethylen Targets werden erläutert. Letzteres ist bei der Untersuchung von Pion-Nukleon-Reaktionen von Bedeutung. Alle Beiträge zur Effizienzkorrektur der Messung werden sorgsam berücksichtigt und die systematische Unsicherheit abgeschätzt. Die vorhandenen Werkzeuge zur Interpretation der experimentellen Ergebnisse werden vorgestellt: Modelle der Reaktionen π − p →ne + e − , aber auch die Partialwellenanalyse von γn → π − p zusammen mit π − p → 2πN Kanälen. Bei der Verteilung der invarianten Masse von e + e − ist ein klarer Überschuss über die Erwartung für einen Zerfall von punktartigen Baryonen zu sehen. Dies bestätigt die wichtige Rolle von ρ-Mesonen außerhalb der Massenschale in diesem kinematischen Regime. Die Analyse von Winkelverteilungen mithilfe des Formalismus der Spindichtemat- rix werden mit theoretischen Modellen, die auf verschiedenen Resonanzbeiträgen basieren, verglichen. Somit kann eine zusätzliche Information über die Struktur elektromagnetischer Übergänge gewonnen werden. Diese Analyse dient als Motivation für weitere Experimente zur Erforschung elektromagnetischer Übergänge nicht-seltsamer Resonanzen im dritten Massenbereich oder von Hyperonen.German
Le sujet de cette thèse est l’analyse de la production de di-électrons dans des réactions induites par des pions à une énergie dans le centre de masse proche de 1.5 GeV, dans lesquelles des résonances baryoniques dans la deuxième région de résonances (N(1440), N(1520), N(1535),..) peuvent être excitées. L’objectif est d’obtenir des informations sur les transitions électromagnétiques dans une région inexplorée cinématiquement, où l’on s’attend à ce que les mésons vecteurs jouent un rôle important. Ces mesures peuvent aussi être utilisées comme référence pour les études de production de paires e+ e− dans la matière hadronique visant à explorer les modifications de la fonction spectrale du ρ à des densités baryoniques finies. Bien qu’expérimentalement plus difficiles, les réactions induites par des pions constituent un outil très performant pour étudier les résonances baryoniques. La mesure des canaux hadroniques par la collaboration HADES dans les réactions pion-nucléon a enrichi considérablement la très pauvre base de données existante. Ces mesures, combinées aux données très abondantes de photoproduction ont permis de réaliser une nouvelle analyse en ondes partielles pour extraire les propriétés des résonances baryoniques. Les résultats de cette analyse sont utilisés pour l’analyse des canaux élec- tromagnétiques. L’analyse présentée est basée sur une expérience-test réalisée avec le détecteur de grande acceptance HADES, le faisceau secondaire de pions de GSI et des cibles de polyethylene et de carbone. Le document commence par une présentation des résultats déjà obtenus par la collaboration HADES pour la production de di-électrons dans les réactions noyau-noyau, nucleon-noyau et nucleon-nucleon et des rares données existantes pour les réactions induites par des pions. Suit une description de l’expérience HADES et de la ligne de faisceau de pions Les différentes étapes de l’analyse sont ensuite présentées, en insistant sur l’identification des électrons. Une étude détaillée de l’ajustement de la réponse du détecteur RICH, qui est crucial pour la discimination entre électrons et pions est réalisée. Puis, l’extraction du signal de production de diélectrons, incluant la soustraction du bruit de fond combinatoire et la normalisation est discutée, ainsi que les problèmes de soustraction de la contribution de noyaux de carbone pour étudier les interactions pion-nucléon. Toutes les contributions à l’efficacité de la mesure sont prises en compte avec soin et les erreurs systématiques sont estimées. Les outils existants pour l’interprétation des donn’ees sont ensuite introduits. En plus des modèles existants pour la réaction π−p→ne+e−, les résultats de l’analyse en ondes partielles des canaux π−p → 2πN peuvent être utilisés. La distribution de la masse invariante des paires e+ e− présente un excès par rapport à la production attendue pour des baryons ponctuels, ce qui confirme le rôle important de mésons rho hors-couche dans les facteurs de forme de transition électromagnétique dans ce domaine cinématique. Les résultats de l’analyse des distributions angulaires en utilisant le formalisme de la matrice densité sont aussi comparés à un modèle théorique basé sur les contributions de plusieurs résonances. Cette comparaison montre que les distributions angulaires apportent des informations supplémentaires sur la structure des transitions baryoniques électromagnétiques. Cette analyse est utilisée pour motiver des expériences futures pour étudier les transitions électromagnétiques mettant en jeu des baryons non-étranges dans la troisième région de résonance ou des hypérons.French
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Untersuchung von Quark-Materie mit virtuellen Photonen
Date Deposited: 03 Feb 2020 08:08
Last Modified: 03 Feb 2020 08:08
DOI: 10.25534/tuprints-00009713
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-97139
Referees: Fonvieille, Dr. Hélène and Buballa, Dr. Michael
Refereed: 19 December 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/9713
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