Study of e⁺e⁻ pair production in pp collisions at 4.5 GeV with HADES

The subject of this thesis is the analysis of the inclusive production of e+e- pairs in proton-proton reactions at a beam kinetic energy of 4.5 GeV measured with the HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) detector at GSI, Darmstadt. The objective is, on the one hand, to provide a reference for nuclear matter studies, and on the other hand, to study the role of baryonic resonances (∆(1232), N(1520), ...) and vector mesons (ρ/ω/φ) in the production of e+e- pairs. These measurements provide information about the Dalitz decay of baryonic resonances (B→Ne+e-) and their coupling to vector mesons. The thesis begins with a presentation of the results obtained from previous analyses by the HADES collaboration, performed at lower energies, and the motivations for this new experiment. A detailed description of the HADES spectrometer is then provided to understand the different components used for particle detection. The analysis starts with the event selection and the identification of electron and positron tracks. The combination of information provided by the RICH detector, the electromagnetic calorimeter ECAL, and the time-of-flight detectors RPC and TOF allows for optimizing this selection. The correlated e+e- signal is obtained after subtracting the combinatorial background from all e+e- combinations. This background is mainly due to photon conversion, which requires the implementation of different cuts to reduce this contamination. The results obtained are compared to simulations produced by the Pluto event generator and the hadronic model SMASH. This comparison allows to extract the production cross-sections of mesons (π0, η, ρ, ω, and φ) as well as the study of the contribution of different baryonic resonances, taking into account the transition form factors. These results will serve as a reference for heavy-ion collisions planned using beams provided by the future SIS100 accelerator at FAIR/GSI.

Le sujet de cette thèse est l’analyse de la production inclusive de paires e+e- dans les réactions proton-proton à une énergie de faisceau de 4.5 GeV mesurée avec le dispositif HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) à GSI, Darmstadt. L’objectif est d’une part, de fournir une référence pour les études de matière nucléaire, d’autre part d’étudier le rôle des résonances baryoniques (∆(1232), N(1520), ...) et des mésons vecteurs (ρ/ω/φ) dans la production des paires e+e- . Ces mesures permettent d’obtenir des informations sur la décroissance Dalitz des résonances baryoniques (B→Ne+e-) et sur leur couplage aux mésons vecteurs. Le manuscrit débute par une présentation des résultats obtenus par les analyses antérieures de la collaboration HADES, réalisées à plus basse énergie, et les motivations de cette nouvelle expérience. Une description détaillée du spectromètre HADES est ensuite présentée pour comprendre les différentes composantes utilisées pour la détection des particules. L’analyse s’initie par la selection d’événements et l’identification des traces d’électrons et de positrons. La combinaison des informations fournies par le détecteur RICH, le calorimètre électromagnétique ECAL et les détecteurs de temps de vol RPC et TOF permet d’optimiser cette sélection. Le signal de paires e+e- corrélées est obtenu après la soustraction du fond combinatoire de toutes les combinaisons e+e- . Ce dernier est dû principalement à la conversion des photons, ce qui nécessite l’introduction de différentes coupures pour réduire cette contamination. Les résultats obtenus sont comparés à des simulations produites par le générateur d’événements Pluto et par le modèle hadronique SMASH. Cette comparaison permet l’extraction des sections efficaces de production des mésons (π0, η, ρ, ω et φ) ainsi que l’étude de la contribution des différentes résonances baryoniques, en tenant compte des facteurs de forme de transition. Ces résultats serviront de référence pour les collisions d’ions lourds prévues en utilisant des faisceaux délivrés par le futur accélérateur SIS100 à FAIR/GSI.

Das Thema dieser Thesis ist die Analyse der inklusiven Produktion von e+e--Paaren in Proton-Proton-Reaktionen mit einer kinetischen Strahlenergie von 4.5 GeV, die mit dem HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) Detektor an der GSI in Darmstadt gemessen wurde. Das Ziel ist einerseits, eine Referenz für Studien über nukleare Materie bereitzustellen, und andererseits die Rolle von baryonischen Resonanzen (∆(1232), N (1520), ...) und Vektormesonen (ρ/ω/φ) bei der Produktion von e+e--Paaren zu untersuchen. Diese Messungen liefern Informationen über den Dalitz-Zerfall baryonischer Resonanzen (B→Ne+e-) und deren Kopplung an Vektormesonen. Die Thesis beginnt mit einer Darstellung der Ergebnisse, die aus vorherigen Analysen der HADES-Kollaboration bei niedrigeren Energien gewonnen wurden, sowie den Motivationen für dieses neue Experiment. Anschließend wird eine detaillierte Beschreibung des HADES-Spektrometers gegeben, um die verschiedenen Komponenten zu verstehen, die für die Teilchendetektion verwendet werden. Die Analyse beginnt mit der Ereignisauswahl und der Identifikation der Elektronen- und Positronenspuren. Die Kombination der Informationen, die vom RICH-Detektor, dem elektromagnetischen Kalorimeter ECAL und den Flugzeitdetektoren RPC und TOF bereitgestellt werden, ermöglicht eine Optimierung dieser Auswahl. Das korrelierte e+e--Signal wird nach Subtraktion des kombinatorischen Hintergrunds von allen e+e--Kombinationen erhalten. Dieser Hintergrund ist hauptsächlich auf Photonenkonversion zurückzuführen, was die Implementierung verschiedener Auswahlkrtierien erfordert, um diese Kontamination zu reduzieren. Die erzielten Ergebnisse werden mit Simulationen verglichen, die vom Pluto-Ereignisgenerator und dem hadronischen Modell SMASH erstellt wurden. Dieser Vergleich ermöglicht es, die Produktionsquerschnitte von Mesonen (π0, η, ρ, ω und φ) zu extrahieren sowie die die Beiträge der verschiedenen baryonischen Resonanzen unter Berücksichtigung der Übergangsformfaktoren zu untersuchen. Diese Ergebnisse werden als Referenz für die geplanten Schwerionenkollisionen dienen, die mit Strahlen des zukünftigen SIS100-Beschleunigers am FAIR/GSI durchgeführt werden.