Universität zu Köln

Zurek, Maria Katarzyna (2016). Investigation of the Charge Symmetry Breaking Reaction dd→4Heπ0 with the WASA-at-COSY Facility. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Probing elementary symmetries and symmetry breaking tests our understanding of the theory of strong forces, Quantum Chromodynamics. The presented study concentrates on the charge symmetry forbidden reaction dd→4Heπ0. The aim is to provide experimental results for comparison with predictions from Chiral Perturbation Theory (χPT) to study effects induced by quark masses on the hadronic level, e.g., the proton-neutron mass difference. First calculations showed that in addition to the existing high-precision data from TRIUMF and IUCF, more data are required for a precise determination of the parameters of χPT. These new data should comprise the measurement of the charge symmetry forbidden dd→4Heπ0 reaction at sufficiently high energy, where the p-wave contribution becomes important. A first measurement with the WASA-at-COSY experiment at an excess energy of ε = 60 MeV was performed, but the results did not allow for a decisive interpretation because of limited statistics. This thesis reports on a second measurement of the dd→4Heπ0 reaction at ε = 60 MeV using an improved WASA detector setup aiming at higher statistics. A sample of 336 ± 43 event candidates have been extracted using a data set from an eight-week long beamtime, and total and differential cross sections have been determined. The angular distribution has been described with a function of the form dσ/dΩ = a + bcos^2θ*, where θ* is the scattering angle of the pion in the c.m. coordinate system. The obtained parameters a and b and the total cross section are: a = (1.75 ± 0.46(stat.) +0.31-0.8(syst.)) pb/sr, b = (13.6 ± 2.2(stat.) +0.9-2.7(syst.)) pb/sr, σ_tot = (79.1 ± 7.3(stat.) +1.2-10.5(syst.) ± 8.1(norm.) ± 2.0(lumi. syst.)) pb. For this experiment a modified detector setup optimized for a time-of-flight measurement of the forward going particles has been used. After detector calibration and track reconstruction, signal events have been selected using a chain of cuts and a kinematic fit. For absolute normalization the integrated luminosity has been obtained using the dd→3Henπ0 reaction. The final acceptance correction has been performed using a Monte Carlo signal generator with the measured angular distribution. The obtained differential cross section indicates the presence of higher partial waves in the final state. A combined interpretation of these results with the other measurements of the dd→4Heπ0 reaction allowed to determine the square of the magnitude of the p-wave amplitude |C|^2 = (520 ± 290(stat.)+50-430(syst.)) pb/(sr∙(GeV/c)^2) and the real part of the s-d interference term Re(A0*A2) = (1670 ± 320(stat.) +80-430(syst.)) pb/(sr∙(GeV/c)^2) neglecting any further initial and final state interactions. The result shows that any theoretical attempt to describe the reaction has to include, in addition to p-waves, also d-wave contributions.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Untersuchung elementarer Symmetrien und ihrer Brechung testet unser Verständnis der Theorie der starken Wechselwirkung, der Quantenchromodynamik. Die vorliegende Doktorarbeit konzentriert sich auf die Reaktion dd→4Heπ0, welche die Ladungssymmetrie verletzt. Das Ziel ist es, die experimentellen Ergebnisse mit den Vorhersagen der chiraler Störungstheorie (χPT) zu vergleichen, um die Effekte von Quarkmassen auf hadronischer Ebene zu untersuchen. Ein Beispiel ist der Einfluß auf die Massendifferenz von Proton und Neutron. Erste theoretische Rechnungen zeigten, dass zusätzlich zu den bestehenden Hochpräzisionsdaten von TRIUMF und IUCF weitere Daten für eine genaue Bestimmung der χPT Parameter erforderlich sind. Diese neuen Daten zur Ladungssymmetrie verletzenden dd→4Heπ0 Reaktion müssen bei ausreichend hoher Energie gemessen werden, da dort die Beiträge von p-Wellen wichtig werden. Eine erste Messung wurde mit dem WASA-at-COSY Experiment bei einer Überschussenergie von ε = 60 MeV durchgeführt, allerdings ließen die Ergebnisse wegen der begrenzten Statistik keine endgültige Interpretation zu. Diese Dissertation besckäftigt sich mit einer zweiten Messung der Reaktion dd→4Heπ0 bei ε = 60 MeV mit einem verbesserten Aufbau des WASA-Detektors und dem Ziel einer höheren Statistik. Aus den Daten einer acht Wochen langen Messung wurden 336 ± 43 Eventkandidaten extrahiert. Dabei wurden der totale und differentielle Wirkungsquerschnitt bestimmt und die Winkelverteilung mit der Funktion dσ/dΩ = a + bcos^2θ* gefittet. Die dadurch erhaltenen Parameter a und b und der totale Wirkungsquerschnitt ergeben sich zu: a = (1.75 ± 0.46(stat.) +0.31-0.8(syst.)) pb/sr, b = (13.6 ± 2.2(stat.) +0.9-2.7(syst.)) pb/sr, σtot = (79.1 ± 7.3(stat.) +1.2-10.5(syst.) ± 8.1(norm.) ± 2.0(lumi. syst.)) pb. Der modifizierte Detektoraufbau, welcher für die Messung verwendet wurde, ist auf die Nutzung der Flugzeit für nach vorne emittierte Teilchen ausgelegt. Die Signalereignisse wurden nach erfolgter Detektorkalibrierung und Spurrekonstruktion mittels eines kinematischen Fits und verschiedenen Analyseschnitten ausgewählt. Für die absolute Normalisierung wurde die integrierte Luminosität mit der dd→3Henπ0 Reaktion bestimmt. Die endgültige Akzeptanzkorrektur wurde auf der Basis einer Monte-Carlo Simulation durchgeführt, welche die gemessene Winkelverteilung berücksichtigt. Der erhaltene differentielle Wirkungsquerschnitt zeigt das Vorhandensein von höheren Partialwellen im Endzustand. Eine gemeinsame Analyse dieser Ergebnisse mit den anderen Messungen der dd→4Heπ0 Reaktion erlaubt die Bestimmung des Quadrats der p-Wellenamplitude |C|^2 = (520 ± 290(stat.)+50-430(syst.)) pb/(sr∙(GeV/c)^2) und des Realteils des s-d Interferenzterms Re(A0*A2) = (1670 ± 320(stat.)+80-430(syst.)) pb/(sr∙(GeV/c)^2), ohne die Berücksichtigung von weiteren Anfangs- und Endzustandswechselwirkungen. Das Ergebnis zeigt, dass jede theoretische Beschreibung der Reaktion zusätzlich zu p-Wellen auch d-Wellen-Beiträge berücksichtigen muss. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Zurek, Maria Katarzyna m.zurek@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-71200
Date:	5 September 2016
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute for Nuclear Physics
Subjects:	Natural sciences and mathematics Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Charge symmetry breaking, Deuteron–deuteron interactions, Pion production English
Date of oral exam:	8 November 2016
Referee:	Name Academic Title Hans, Ströher Prof. Dr. Jan, Jolie Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/7120