Omega-photoproduction off protons and neutrons with CBELSA/TAPS

Abstract

The main goal of this work was to determine the cross-section for photoproduction of omega mesons off neutrons. This cross-section had so far not been measured. It is, however, important for a quantitative understanding of the omega meson-nucleon interaction and for the in-medium properties of omega mesons in nuclei. Up to the time of this thesis all information on this interaction had come from studying the production off protons. The omega photoproduction off hydrogen and deuterium targets was studied with the tagged photon beam of the ELSA accelerator in Bonn for photon energies up to 2.0 GeV. The omega meson was identified via the omega -- > pi^0 gamma --> gamma gamma gamma decay mode, using the combined setup of the Crystal Barrel/TAPS detector systems, which allowed photon detection over almost the full solid angle. Charged particles were registered by a scintillating fiber detector in the CB angular region and by plastic veto detectors in front of TAPS in the forward region. Both exclusive (the recoil nucleon was detected) and inclusive (detection of the recoil nucleon not required) analyses have been carried out. Differential and total cross-sections have been derived for omega mesons produced off free protons and off protons and neutrons bound in deuterium. For all cases, a strong forward rise of the differential cross-section, indicative of t-channel production processes, is observed. The cross-section off the bound proton is smaller than the one off the free proton. This difference cannot be attributed to a mere smearing due to the Fermi motion. At incident photon energies close to the production threshold the interaction with the neutron plays a role. Only at higher energies the omega meson production cross-section off the bound proton comes close to that off the free proton. The average cross-sections off the bound proton and the bound neutron are 6.6+-0.1 microbarn and 8.4+-0.2 microbarn, respectively, in the incident photon energy range 1.2-2.0 GeV. For photon energies 1.2-1.6 GeV the production cross-section off the bound neutron is larger than that off the bound proton by about a factor 1.3. In this energy region the excitation and decay of nucleon resonances play a dominant role. A stronger resonance contribution to the cross-section for omega production off the bound neutron compared to off the bound proton is observed. At incident photon energies larger than 1.7 GeV the cross-sections come close to each other, indicating production mechanisms independent of isospin. A deeper understanding of the results would require more detailed model calculations. It is hoped that the present work will motivate further theoretical studies. Das Hauptziel der vorgelegten Arbeit ist die Bestimmung des Photoproduktionsquerschnitts von omega Mesonen am Neutron. Dieser Wirkungsquerschnitt ist bisher nicht gemessen worden; er ist jedoch wichtig für ein quantitatives Verständnis der omega-Nukleon Wechselwirkung und der in-Medium Eigenschaften des omega Mesons in Kernen. Bis zu dieser Doktorarbeit beruhten alle Informationen zur omega-N Wechselwirkung auf der omega Produktion am Proton. Die omega Photoproduktion wurde am Wasserstoff und Deuterium untersucht mit energiemarkierten Photonenstrahlen am ELSA Beschleuniger in Bonn. Das omega Meson wurde identifiziert über den omega -- > pi^0 gamma --> gamma gamma gamma Zerfallskanal. Dazu diente der gemeinsame Detektoraufbau von Crystal Barrel und TAPS, der einen Photonennachweis über fast den gesamten Raumwinkel ermöglichte. Geladene Teilchen wurden im Winkelbereich des Crystal Barrel in einem Detektor aus szintillierenden Fasern und im Vorwärtswinkelbereich durch Plastik-Veto-Detektoren vor TAPS nachgewiesen. Sowohl exklusive (das Rückstoß-nukleon wird nachgewiesen) wie inklusive (Nachweis des Rückstoß-nukleons nicht verlangt) Analysen wurden durchgeführt. Differentielle und totale Querschnitte wurden für die Produktion am freien Protonen und an im Deuterium gebundenen Protonen und Neutronen bestimmt. Der differentielle Wirkungsquerschnitt weist für jeden Reaktionskanal einen exponentiellen Anstieg für kleine Impulsüberträge an das Nukleon auf, was charakteristisch ist für einen t-Kanal Austauschprozess. Im Vergleich zur Produktion am freien Proton ist der am gebundenen Proton gemessene Querschnitt niedriger. Diese Diskrepanz lässt sich nicht durch eine Faltung des Querschnitts am freien Proton mit der Fermibewegung der Nukleonen im Deuterium erklären. Im Energiebereich nahe der Produktionsschwelle ist die Wechelwirkung mit dem Neutron bedeutend. Nur im höheren Energiebereich nähert sich der Querschnitt am gebundenen Proton dem am freien Proton an. Der durchschnittliche Querschnitt am gebundenen Proton ist 6.6+-0.1 microbarn und am gebundenen Neutron 8.4+-0.2 microbarn für den Photoneneinschussenergiebereich von 1.2-2.0 GeV. Für Photonenergien von 1.2-1.6 GeV ist der Wirkungsquerschnitt am gebundenen Neutron ein Faktor 1.3 größer als der Wirkungsquerschnitt am gebundenen Proton. In diesem Energiebereich spielt die Anregung und der Zerfall von Nukleonresonanzen eine dominante Rolle. Am gebundenen Neutron wurde ein stärkerer Anteil von Resonanzanregungen zum Querschnitt beobachtet im Vergleich zum Querschnitt am gebundenen Proton. Für Photoneneinschussenergien größer als 1.7 GeV wird beinahe eine Übereinstimmung von beiden Querschnitten gefunden. Dies weist auf einen Produktionsmechanismus unabhängig vom Isospin hin. Ein teiferes Verständnis der Ergebnisse erfordert mehr detailierte Modellrechnungen. Es ist zu hoffen, dass diese Arbeit weitere theoretische Studien motiviert.