In-Medium modification of pion-pairs on deuterium

Abstract

In this thesis the quasi free photo production of pion pairs on bound nucleons Gamma + A -->pi pi (A - 1) + Nis analyzed for liquid Deuterium. These measurements allow an isospin dependent determination of the mass differential and total cross section of pion pairs on Deuterium.In former experiments pion induced production of pion pairs was measured by the CHAOS and Crystal Ball collaborations. The invariant mass distributions showed a shift in strength towards the threshold region with increasing atomic number of the targets in case of the isoscalar pi pi meson system. According to theoretical predictions this effect could be interpreted as a positive signature of a partial restoration of chiral symmetry. As pions are strongly interacting particles, which get absorbed in the surface region of the nucleus, these measurements only probed small effective densities. In contrast, photons can penetrate the whole nucleus resulting in a higher effective nuclear density. A pioneering experiment with a photon beam was performed by the TAPS collaboration at the accelerator facility MAMI-B in Mainz in 1999. This measurement observed an invariant mass shift of the isoscalar pi0pi0 channel with increasing atomic number as well. In the pi± pi0 channel this effect was not observed which served as a cross check. This observation confirmed the former experiments, since final state interactions of the pions would affect in first order both isospin channels in a similar way. Due to the poor statistics, the significance of the data was however limited. The experiment described in this work reached a much higher statistical significance, allowing a review of the old data. In this experiment, the TAPS detector was used as a forward wall in combination with the Crystal Ball detector to achieve almost the complete 4pi solid angle coverage for particle detection at the MAMI accelerator facility. The installation of the experimental setup started at the end of 2003. The new readout electronics for the BaF2 crystals was used for the first time. Between June 2004 and April 2005 measurements on several targets were performed, including the lD2 data which has been analyzed in this work.The analysis of the Deuterium data is an essential contribution to understanding the ongoing processes for two reasons. Firstly, there is the possibility to compare the solid targets and Hydrogen to the lightest nucleus having Fermi motion included but the lowest possible nuclear volume, the Deuterium. For the second reason, there are no data for the mass differential cross section on the neutron available for the mentioned channels. Analyzing the Deuterium data and subtracting the published proton data, the cross section on the neutron gets accessible. An essential question for the theory is whether the cross section on neutron and proton are the same or how much they differ in the relevant energy regime. To determine the absolute cross section, the efficiency of the detector system is required. To provide this efficiency, I also developed the MonteCarlo simulation using a skeleton of the Crystal Ball simulation code, based on the GEANT package. Presently, BUU transport calculations can not describe the different behaviour in the isospin channels for the solid targets, which may partly be due to uncertainties in the production cross section on the neutron. Therefore, a final interpretation of the observed mass shift - whether it can be described by final state interaction alone or by a partial restoration of chiral symmetry - can not be made as yet. With the cross section determination on the neutron, the BUU calculations can be refined and compared to the analyzed data again. The cross section on the neutron shows a relative shift of strength towards lower m pi pi in comparison to the cross section on the proton. With the cross section on the neutron available, refined transport calculations should be performed. In dieser Arbeit wird die quasifreie Photoproduktion von Pionenpaaren an gebundenen Nukleonen entsprechend der ReaktionsgleichungGamma + A -->pi pi (A - 1) + Nfür flüssiges Deuterium analysiert. Diese Messungen ermöglichen eine vom Isospin abhängige Bestimmung der massendifferentiellen und totalen Wirkungsquerschnitte am Deuteron.In vorausgegangenen Experimenten der CHAOS- und Crystal Ball Kollaboration wurde bereits die pioneninduzierte Produktion von Pionenpaaren gemessen. Die Verteilung der invarianten Massen zeigte für das isoskalare pi pi Mesonensystem mit größer werdender Ordnungszahl eine Verschiebung der Intensität zur Schwelle hin. Im Einklang mit theoretischen Rechnungen kann dieser Effekt als Indiz für die teilweise Wiederherstellung der Chiralen Symmetrie gedeutet werden.Da Pionen stark wechselwirkende Teilchen sind, die mit großer Wahrscheinlichkeit an der Oberfläche der Targetkerne absorbiert werden, untersuchen diese Experimente lediglich die Oberfläche und somit kleine effektive Dichten. Photonen hingegen können im gesamten Kern Reaktionen induzieren und somit auch große effektive Dichten sondieren. Ein Vorreiterexperiment mit einem Photonenstrahl wurde durch die TAPS Kollaboration im Jahre 1999 am Mainzer Beschleuniger MAMI-B durchgeführt. Die dortigen Messungen ergaben für den isoskalaren pi0pi0 Kanal mit größer werdender Ordnungszahl auch eine Verschiebung der Intensität zur Schwelle hin. Im pi± pi0 Kanal konnte dieser Effekt nicht beobachtet werden, dies diente als Referenz. Die Beobachtungen bestätigten die Ergebnisse der vorausgegangenen Experimente, da Endzustandswechselwirkungen der Pionen die beiden Isospin-Kanäle in erster Näherung ähnlich beeinflussen. Aufgrund der unzureichenden statistischen Signifikanz der Daten war die Aussagekraft des Experiments jedoch limitiert.Das Experiment, welches in dieser Arbeit beschrieben wird, erzielte eine wesentlich bessere Statistik, die eine Überprüfung der alten Daten erlaubt. Um näherungsweise den kompletten Raumwinkel von 4pi zur Teilchenidentifikation abzudecken wurde in diesem Experiment der TAPS Detektor als Vorwärtswand in Verbindung mit dem Crystal Ball Detektor an MAMI verwendet. Der Experimentaufbau startete Ende 2003. Die neue Ausleseelektronik für die BaF2 Detektoren kam hier zum ersten Mal zum Einsatz. Zwischen Juni 2004 und April 2005 wurden Messungen an unterschiedlichen Targets vorgenommen, unter anderem auch die lD2 Daten, welche in dieser Arbeit analysiert wurden. Die Analyse von Deuterium aus den folgenden beiden Gründen ein entscheidender Beitrag, um die ablaufenden Prozesse zu verstehen. Zum einen kann man die Festkörpertargets und Wasserstoff mit dem leichtesten Kern, dessen Nukleonen Fermi-Bewegung aufweisen und der zugleich das geringste Kernvolumen hat, dem Deuterium vergleichen. Weiterhin gibt es derzeit keine massendifferentiellen Wirkungsquerschnitte für die beschriebenen Kanäle am Deuterium. Durch die Analyse der Deuterium-Daten und Subtraktion der publizierten Wasserstoff-Daten kann der massendifferentielle Wirkungsquerschnitt am Neutron bestimmt werden. Eine grundlegende Frage der Theorie ist, ob die Wirkungsquerschnitte am Neutron und am Proton identisch sind, bzw. in wieweit sie im relevanten Energiebereich voneinander abweichen. Um die Wirkungsquerschnitte quantitativ zu bestimmen benötigt man die Effizienz des Detektorsystems. Um diese zu berechnen, entwickelte ich die MonteCarlo Simulation für den verwendeten Detektoraufbau unter Verwendung einer auf GEANT basierenden Vorlage des Crystal Ball Simulationscodes.Derzeit können die BUU-Transportrechnungen die Unterschiede in den beiden Isospin Kanälen für die Festkörpertargets nicht richtig wiedergeben. Dies könnte auf Unsicherheiten in den Produktionsquerschnitten am Neutron zurückgeführt werden. Eine endgültige Aussage, ob die Effekte alleine durch Endzustandswechselwirkungen oder durch teilweise Wiederherstellung der chiralen Symmetrie erklärt werden kann, kann aus diesem Grunde noch nicht getroffen werden. Durch die Bestimmung der Wirkungsquerschnitte am Neutron und Implementation der Erkenntnisse in den BUU Code können die Rechnungen wiederholt und dann mit den publizierten Daten verglichen werden. Im Vergleich zum Proton zeigt der differentielle Wirkungsquerschnitt am Neutron eine relative Verschiebung der Intensität zur Schwelle der pi pi -Massen. Mit dem hier gegebenen Wirkungsquerschnitt kann die Theorie nun ihre Modelle bezüglich der Anregungsfunktion am Neutron anpassen.