Beam-Helicity Azimuthal Asymmetry measured with the Recoil Detector in exclusive electroproduction of real photons at HERMES

Abstract

The Generalized Parton Distributions (GPDs) can be measured through the exclusive hard processes. GPDs offer a possibility to determine the orbital angular momenta of quarks, and can be accessed by studying the Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS). The DVCS process interferes with the Bethe-Heitler (BH) process where the incoming or outgoing electron/positron radiates a hard real photon in the coulomb field of the nucleon. This interference leads to measurable cross-section azimuthal asymmetries with respect to beam helicity, beam charge, and target polarization. These different types of the azimuthal asymmetries give access to the different terms of the GPDs. At HERMES DVCS processes were measured previously by itsforward spectrometer, however, the recoil protons could not be directly detected due to the acceptance of the spectrometer. Thus, the missing mass method was used to select the exclusive reactions. This method is limited by the resolutions of the detectors and the incapability to clean up the background from the semi-inclusive DIS process and the associated BH process. The associated BH process has a contribution of around 12% to the final exclusive data sample, and its effect to the azimuthal asymmetries is unknown. A Recoil Detector was built and installed at the beginning of 2006 to upgrade the HERMES forward spectrometer to measure the recoil protons. The Recoil Detector consists of three main sub-detectors: a silicon strip detector surrounding the target cell inside the beam vacuum in a scattering chamber, a scintillating fibre tracker, and a photon detector consisting of three layers of tungsten and scintillator bars. A large amount of data was collected with the Recoil Detector on unpolarized proton and deuteron targets in the years 2006-2007 by using the high intensity beams from HERA. The detectors have been commissioned over the last years, the first detector calibrations, the tracking reconstructions have also been accomplished for a first physics analysis.The azimuthal asymmetries with respect to the beam helicity wereextracted on the proton target from the data taken with the positron beam in2007. The asymmetries from the elastic BH/DVCS process have been extractedwith and without using the detected recoil proton information by the RecoilDetector. In addition, a small sample of associated BH process was collected viadetecting the pion^+ as a tag particle decaying from Delta^+. A first beam helicity asymmetry has been extracted based on this data sample. Durch die Messung tief-virtueller Comptonstreuung (DVCS) lassen sich diegeneralisierten Partonverteilungen (GPDs) bestimmen. Diese erlauben einevereinheitlichte Beschreibung der Nukleonstruktur. Darüber hinaus geben sie imPrinzip einen experimentellen Zugang zu den Bahndrehimpulsen derQuarks. Jedoch ist der DVCS Prozess nicht unterscheidbar vom Bethe-Heitler (BH)Prozess, bei dem das gestreute Elektron durch Bremsstrahlungsprozesse einreelles Photon erzeugt. Es stellt sich aber heraus, dass die durch dieseUnunterscheidbarkeit verursachte Interferenz vom BH und DVCS den Zugang zuDVCS Amplitude bietet. Dies geschieht durch die Messung von Asymmetrien desBH-DVCS-Wirkungsquerschnittes bezüglich der Strahlladung, derStrahlpolarisation, oder der Targetpolarisation. Das HERMES Spektrometer wurde aufgebaut, um semi-inklusive und inklusiveDIS Prozesse zu messen. Deshalb kann das rückgestoßene Proton inexklusiven Prozessen nicht nachgewiesen werden. Bis 2005 wurden indirekte Methoden angewendet, um die Rückstoßprotonen vom Untergrund zu separieren. Allerdings lassen sich mit diesen indirekten Methoden nicht alle Untergrundbeiträge eliminieren, insbesondere nicht der Beitrag von Delta^+-Resonanzen. Um die Verbesserung der Selektion von DVCS-Ereignissen zu erzielen, wurde der HERMES Rückstoßdetektor aufgebautund 2006 im HERMES Experiment installiert. Das HERMES Vorwärtsspektrometer,zusammen mit dem Rückstoßdetektor, nahm in der Zeit zwischen Mai 2006 unddem Ende des HERA Betriebs im Juni 2007 Daten. Der Detektor besteht aus dreiTeildetektoren: einem Silizium-Zähler innerhalb der Streukammer, einemDetektor aus szintillierenden Fasern und einem Photondetektor. Er befand sichim 1 T starken Magnetfeld eines supraleitenden Magneten. Während derDatenaufnahme wurden eine große Anzahl DIS Ereignisse mit dem unpolarisiertenWasserstoff- und Deuterium-Target von HERMES genommen. Die ersteKalibrierung und Rekonstruktion dieser Daten ist erfolgreich abgeschlossen worden.Die Extraktion der azimutalen Asymmetrien bezüglich derStrahlhelizität aus den Daten von 2007 amWasserstoff-Target wurden in dieser Arbeit durchgeführt. Die extrahiertenAsymmetrieamplituden vom elastischen BH/DVCS Prozess stimmen gut mit denfrüheren Messungen von HERMES überein. Außerdem wurde zum ersten Mal die Asymmetrie von Delta^+-Resonanzen extrahiert, jedoch sind die Ereignisse aufgrund der geringen Statistik mit großen Unsicherheiten behaftet.