Universität zu Köln

Wurm, Patrick (2012). Measurement of the eta->e+e-e+e- double Dalitz decay and the search for new physics beyond the Standard Model in eta->e+e- with WASA-at-COSY. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Wide Angle Shower Apparatus (WASA) -- operated at the Cooler Synchrotron COSY-Jülich -- is a close-to-4pi-detector used for the study of the production mechanisms and decay modes of light mesons. A huge amount of eta meson data has been accumulated over the last few years and these allow one to measure even rare decay channels. One of these channels is the double Dalitz decay, where the eta meson decays via two virtual photons into two electron-positron pairs. According to QED calculations, the expected branching ratio is BR(eta->e+e-e+e-) = 2.6*10^{-5}. In this work the analysis of 3*10^{7} eta events from pd->3He eta reactions is presented. Based upon 49.7 +- 12.5(stat) identified candidates, the branching ratio for eta->e+e-e+e- is measured to be BR(eta->e+e-e+e-) = (3.2 +- 0.8(stat) +- 0.8(syst))*10^{-5}. This is consistent with the value BR(eta->e+e-e+e-) = (2.9 +- 1.1)*10^{-5} reported in the earlier PhD thesis of L. Yurev, where only the first third of the data set was analyzed but with different selection criteria. The result is also in agreement with the recently published value from the KLOE collaboration: BR(eta->e+e-e+e-) = (2.4 +- 0.2(stat) +- 0.1(syst))*10^{-5}. Sophisticated analysis methods have been developed and tuned to search for the very rare decay channel eta->e+e- which, according to the Standard Model, has a branching ratio on the order of 10^{-9}. Any significant deviation from this value would be a sign for new physics. Within the framework of this thesis, an upper limit for this branching ratio has been determined as BR(eta->e+e-) < 6*10^{-6} at the 90% confidence level. This is close to the recently published upper limit measured by the HADES collaboration: BR(eta->e+e-) < 4.9^{+0.7}_{-1.2}*10^{-6} at the 90% confidence level.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Der Wide Angle Shower Apparatus (WASA) -- der am Cooler Synchrotron COSY-Jülich betrieben wird -- ist ein nahezu 4pi-Detektor, der die Untersuchung der Produktionsmechanismen und die Zerfälle von leichten Mesonen ermöglicht. In den vergangen Jahren wurde eine große Menge an Daten mit eta Meson Zerfällen aufgenommen, die die Messung von seltenen Zerfallskanälen ermöglicht. Einer dieser Kanäle ist der doppelte Dalitz Zerfall, bei dem das eta Meson über zwei virtuelle Photonen in zwei Elektron-Positron-Paare zerfällt. Basierend auf QED-Rechnungen ist das erwartete Verzweigungsverhältnis BR(eta->e+e-e+e-) = 2,6*10^{-5}. In dieser Arbeit wird die Analyse von 3*10^{7} eta Ereignissen von pd->3He eta Reaktionen präsentiert. Basierend auf 49,7 +- 12,5(stat) identifizierten Signalkandidaten beträgt das gemessene Verzweigungsverhältnis BR(eta->e+e-e+e-) = (3,2 +- 0,8(stat) +- 0,8(syst))*10^{-5}. Dieses Ergebnis ist konsistent mit dem Wert BR(eta->e+e-e+e-) = (2,9 +- 1,1)*10^{-5}, der von L. Yurev in einer früheren Arbeit ermitteltet wurde, wobei nur das erste Drittel des Datensatzes mit anderen Selektionskriterien analysiert wurde. Das Ergebnis ist ebenfalls in Übereinstimmung mit dem Wert BR(eta->e+e-e+e-) = (2,4 +- 0,2(stat) +- 0,1(syst))*10^{-5}, welcher kürzlich von der KLOE Kollaboration veröffentlicht wurde. Weitgehende Analysemethoden wurden entwickelt und auf die Suche nach dem sehr seltenen Zerfall eta->e+e- abgestimmt, der gemäß dem Standardmodell ein Verzweigungsverhältnis in der Größenordnung von 10^{-9} hat. Jede erhebliche Abweichung von diesem Wert wäre ein Hinweis für neue Physik. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine obere Grenze für das Verzweigungsverhältnis dieses Kanals von BR(eta->e+e-) < 6*10^{-6} (Vertrauensbereich von 90%) bestimmt. Dieser Wert ist nah an der kürzlich veröffentlichten oberen Grenze von der HADES Kollaboration: BR(eta->e+e-) < 4,9^{+0,7}_{-1,2}*10^{-6} (Vertrauensbereich von 90%). German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wurm, Patrick patrickwurm@yahoo.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Corporate Contributors:	Forschungszentrum Jülich, Institut für Kernphysik
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-50204
Date:	2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language rare eta decays, eta double Dalitz decay, WASA-at-COSY English
Date of oral exam:	13 November 2012
Referee:	Name Academic Title Büscher, Markus Priv.-Doz. Dr. Jolie, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5020