In-medium properties of the omega-meson studied in photonuclear reactions near the production threshold

Abstract

Hadrons can be described with their fundamental properties like their mass or lifetime. Nowadays, these values seem to be well known in vacuum. But what happens, if hadrons are embedded in a strongly interacting environment? To answer this question, theoretical physicists are working on model calculations which (up to now) can not give a consistent conclusion: the results vary from predictions assuming a lowering of the vector meson mass in a strongly interacting environment up to predictions assuming a higher mass at high densities. Other models predict structures in the hadron spectral function due to a coupling of the hadron to nucleon resonances. Hence, experiments are needed to check the theoretical predictions.Light vector mesons seem to be the ideal probe to study in-medium modifications. Their lifetimes are short enough, so that their decay length is comparable to nuclear dimensions. Therefore the probability is high, that the vector mesons decay inside the nuclear medium. The measured decay products than carry the in-medium informations of the vector meson. In this thesis, possible modifications of the omega meson were studied in photonuclear reactions. Most of the former experiments on this topic studied the leptonic decay into e+e-. This is a clean and ideal method to study in-medium modifications since leptons do not underly the strong force. Nevertheless, for this thesis the hadronic decay omega -> pi0 gamma was chosen. This decay mode allows to measure the undistorted omega invariant mass spectrum since contributions from the rho meson are suppressed by two orders of magnitude. Having the pion as a strongly interacting particle in the final state is a disadvantage of this decay channel: due to final state interactions the reconstructed four-momenta can be distorted. Applying a cut on the kinetic energy of the pion T > 150 MeV reduces the amount of distorted events.The experiments for this thesis were performed at the Mainzer Mikrotron MAMI during three beamtimes in 2008. After an upgrade in the year 2006, a continuous electron beam with energies up to 1600 MeV is available. Real photons are produced due to the Bremsstrahlung process when the electron beam impinges on a radiator. The energy of the photons is determined using the Mainz-Glasgow tagging system.For this thesis the reactiongamma A -> (A-1) omega p -> (A-1)pi0 gamma p -> (A-1) gamma gamma gamma pwas investigated for the two different target materials carbon and niobium. To detect the decay products, the detector systems Crystal Ball and TAPS were used. Together they cover roughly the full solid angle of 4pi.Within this thesis, the lineshape of the pi0 gamma invariant mass was studied for different nuclear targets. As a reference the signal is compared to a signal obtained from a liquid hydrogen target. The omega meson was reconstructed using two different analysis branches. In an exclusive analysis three photons and one proton were requested, in a semi-exclusive analysis only three photons were requested. A sideband subtraction technique was used to remove chance coincidences and background contributions from pi0 eta decays from the invariant mass spectrum. The exact determination of the background was necessary, since it has a direct impact on the lineshape of the omega signal. Therefore the background contribution was identified using two different method. In the first method the background was determined by a fit, while in the second the background was directly obtained from the data, selecting four photon events and omitting one of them randomly.Both methods were compared and the result showed the systematic uncertainties in the determination of the omega lineshape. A comparison of the invariant mass distributions for the three different target materials (liquid hydrogen, carbon, niobium) showed good agreement for C and Nb and a slight broadening compared to the omega signal from the hydrogen target after correcting for the 5 cm target length. In addition niobium data was compared to GiBUU calculations. A deviation from the scenario assuming a mass shift of 16% was observed. Therefore, this scenario could be excluded. This was supported by the results obtained from the analysis of the omega meson momentum distributions, which was also part of this thesis. Here, a deviation of the experimental data from the theoretical scenarios including a mass shift could clearly be seen. The scenarios without mass shift were in good agreement with the experimental data. Hadronen können durch ihre fundamentalen Eigenschaften wie ihre Masse oder Lebensdauer beschrieben werden. In der heutigen Zeit gehen wir davon aus, diese Größen für den Vakuumszustand zu kennen. Aber was passiert wenn Hadronen in einem stark wechselwirkenden Medium agieren, insbesondere, wenn die Dichte oder die Temperatur dieses Mediums sehr hoch ist? Eine Vielzahl von theoretischen Physikern beschäftigen sich mit dieser Fragestellung. Die bisher erzielten Vorhersagen lassen leider noch keinen einheitlichen Tenor erkennen. Die Ergebnisse reichen von einer Absenkung der Vektormeson Masse in einem stark wechselwirkenden Medium bis hin zu einer Erhöhung der Masse bei steigender Dichte. Da von den theoretischen Vorhersagen kein Szenario wirklich ausgeschlossen werden kann, braucht man Experimente zur Überprüfung der Modellrechnungen.Leichte Vektormesonen scheinen ideale Sonden zur Untersuchung von in-Medium Modifikationen zu sein, da ihre Lebensdauer kurz genug ist, um innerhalb des nuklearen Mediums zu zerfallen. Dadurch tragen die Zerfallsprodukte die in-Medium Informationen des Vektormesons. In dieser Arbeit wurden mögliche Modifikationen des Omega Mesons in photonuklearen Reaktionen untersucht. Obwohl viele frühere Experimente den Zerfall in e+e- und somit Leptonen in Ausgangskanal untersuchten, die nicht durch die starke Wechselwirkung beeinflusst werden, wurde für diese Arbeit der hadronische Zerfallskanal Omega -> Pi0 Gamma ausgewählt. Dieser Kanal hat den Vorteil, dass Beiträge des Rho Mesons aufgrund des Verzweigungsverhältnis um zwei Größenordnungen unterdrückt sind. Ein Nachteil ist, dass das Pion ein stark wechselwirkendes Teilchen ist und durch Streuungen im Kern zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen kann. Studien zeigten jedoch, dass dieser Anteil signifikant unterdrückt werden kann, wenn zudem ein Schnitt auf die kinetische Energie des Pions T > 150 MeV verlangt wird. Die für diese Arbeit zugrunde liegenden Experimente wurden am Mainzer Mikrotron MAMI in drei Strahlzeiten im Jahr 2008 durchgeführt. Der dort zum Einsatz kommende Elektronenbeschleuniger erzeugt nach einem Upgrade im Jahre 2006 einen kontinuierlichen Elektronenstrahl mit Energien bis 1600 MeV. In einem Radiator werden unter Ausnutzung des Bremsstrahlungs-Prozesses reelle Photonen erzeugt, denen mit Hilfe des Mainz-Glasgow Tagging Systems jeweils eine eindeutige Energie zugeordnet werden kann. Untersucht wurde im Rahmen dieser Arbeit die Reaktion Gamma A -> (A-1) Omega p -> (A-1)Pi0 Gamma p -> (A-1) Gamma Gamma Gamma psowie die semi-exklusive Omega Produktion für die beiden Targetmaterialien Kohlenstoff und Niob. Die Zerfallsprodukte können mit den Detektoren Crystal Ball und TAPS nachgewiesen werden, die nahezu den kompletten Raumwinkel abdecken. Ziel der Experimente war es, die Statistik im Vergleich zu entsprechenden früheren Messungen am ELSA-Beschleuniger in Bonn deutlich zu verbessern.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Linienform der Pi0 Gamma invarianten Masse bestimmt und für die Targetmaterialien Kohlenstoff und Niob verglichen. Als Referenzsignal wurde flüssiger Wasserstoff verwendet. Die Fragestellung ist, ob sich die Linienform aufgrund von in-Medium Modifikationen des Omega Mesons ändert.Für die Rekonstruktion der Omega Mesonen wurden zwei unterschiedliche Analysen verwendet. In einer exklusiven Analyse wurden explizit drei Photonen und ein Proton verlangt, während in einer semi-exklusiven Analyse nur drei Photonen verlangt wurden. Seitenband-Abzugsmethoden ermöglichten den Abzug von zufällige Koinzidenzen und Untergrundbeiträgen aus Pi0 Eta Zerfällen im invarianten Massenspektrum. Die eigentliche Schwierigkeit der Analyse bestand in der Bestimmung des Untergrundbeitrages, dessen Form direkte Auswirkung auf die Linienform des Pi0 Gamma invarianten Massenspektrums hat. Daher wurde der Untergrund für die Niob Daten zum einen mit einem Fit bestimmt und zum anderen direkt aus den Daten. Hierfür wurden Ereignisse mit vier Photonen selektiert und ein Photon davon zufällig verworfen.Beide Methoden wurden miteinander verglichen und zeigen die systematische Unsicherheit in der Bestimmung der Omega Meson Linienform. Ein Vergleich der verschiedenen Targetmaterialien zeigt eine gute Übereinstimmung für die Omega Signale am C und Nb und eine geringfügige Verbreiterung gegenüber dem Omega Signal am LH2 nach Korrektur der Auflösungsverschlechterung durch die 5 cm Targetlänge.Vergleiche zu GiBUU Rechnungen ergeben eine größere Abweichung der Daten zu dem gerechneten Szenario wo eine Massenverschiebung von 16% angenommen wurde, welches deshalb ausgeschlossen werden kann. Unterstützt wird diese Aussage von einer Analyse der Impulsverteilung, die im Rahmen dieser Arbeit ebenfalls durchgeführt wurde. Eine Abweichung zu Rechnungen, in denen lediglich eine Massenverschiebung angenommen wurde, ist deutlich zu erkennen. Die theoretischen Szenarien, in denen keine Massenverschiebung involviert ist, sind verträglich mit den experimentellen Daten.