Universität zu Köln

Lehmann, Inti (2003). Omega Meson Production in the p n -> d omega Reaction at ANKE. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In the framework of this thesis a first measurement of the p n -> d omega total cross section has been performed at mean excess energies of Q ~= 26 and 60 MeV. The motivation, apparatus, analysis, results and their tentative interpretation are discussed in the following. The comparison of the cross sections for meson production in proton-proton and proton-neutron collisions close to threshold, constrain theoretical models describing the production mechanisms. For eta production the observed cross section ratio R = sigma( p n -> p n eta ) / sigma( p p -> p p eta) ~= 6.5 is generally attributed to isovector dominance in model calculations based on meson exchange. It is therefore interesting to investigate whether a similar isospin dependence is found also for the omega, the next heavier isoscalar meson. Relatively few experiments were performed for the p p -> p p omega reaction, but in proton-neutron collisions no data whatsoever are available. The p n -> d omega reaction was studied in the p d -> pSP d omega reaction at four proton beam momenta between 2.6 and 2.9 GeV/c at the ANKE spectrometer of COSY-JAülich. A deuterium cluster-jet target was used as an effective neutron target, detecting the low momentum recoil protons (pSP), which have momenta of about 80 MeV/c, in a silicon telescope placed close to the target. These recoil protons can be treated as "spectators" that influence the reaction only through their modification of the kinematics. By variation of angle and momentum of the spectator protons, a certain range in excess energy Q is selected experimentally. This range is used to extract results in p-n collisions for the corresponding Q values. The deuterons emitted at angles below 8 degree with a momenta around 2 GeV/c were detected in the forward system of the ANKE spectrometer. Inclined Cerenkov counters in combination with two layers of scintillation counters enabled us to identify these deuterons despite a two orders of magnitude higher proton background. Their momenta were reconstructed using the information from two multi-wire proportional chambers. The p n -> d omega reaction was then identified via the missing mass technique. In order to normalise the data, first the efficiencies of all detectors were evaluated. Secondly the absolute luminosity was determined by the p-d elastic scattering reaction, employing the possibility to identify slow deuterons simultaneously in the silicon telescope. Measurements in p p -> p p omega at SATURNE show there to be a strong contribution from multi-pion production below the omega peak in the missing mass spectrum. This can only be reliably estimated by comparing data above and below the omega threshold. Used are the experimental data at 2.6, 2.7, 2.8 and 2.9 GeV/c beam momentum, which correspond to mean Q values in p n -> d omega of -40, -5, 26 and 60 MeV respectively. At the highest energy, there is clear evidence for an omega peak, whereas at 2.8 GeV/c the residual omega signal depends much more sensitively upon the background description. The cross sections extracted for p n -> d omega at Q ~= 26 MeV and 60 MeV are significantly smaller than theoretical predictions. This suggests that the reaction mechanism for omega production differs from the one for the eta, possibly implying a relatively larger contribution from isoscalar meson exchange. Measurements with higher precision in both Q and in cross section are scheduled already for August 2003. The results are expected to shed even further light on the basic production mechanisms.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Omega-Meson-Produktion in der Reaktion p n -> d omega an ANKE German
Translated abstract:	Abstract Language Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine erste Messung des Wirkungsquerschnittes der Reaktion p n -> d omega bei Überschußenergien Q ~= 26 bzw. 60 MeV durchgeführt. Motivation, experimenteller Aufbau, Analyse der Daten, Ergebnisse und deren Interpretationsmöglichkeiten werden im folgenden dargelegt. Der Vergleich der Wirkungsquerschnitte schwellennaher Meson-Produktions-Reaktionen in Proton-Proton und Proton-Neutron Stößen läßt in theoretischen Modellen Rückschlüsse auf Produktionsmechanismen zu. So wird das in der eta-Produktion gefundene Verhältnis R = sigma( p n -> p n eta ) / sigma( p p -> p p eta ) ~= 6.5 in auf Meson-Austausch basierenden Modellrechnungen gewöhnlich einer Isovektordominanz in dieser Reaktion zugeschrieben. Es ist deshalb von hohem theoretischen Interesse, herauszufinden, ob sich für das omega-Meson, das nächstschwerere isoskalare Meson, eine ähnliche Isospinabhängigkeit ergibt. In der Reaktion p p -> p p omega wurden bisher relativ wenige Experimente durchgeführt, für Proton-Neutron-Stöße existieren sogar gar keine Daten. Die Reaktion p n -> d omega wurde durch den Nachweis der Reaktion p d -> pSP d omega bei vier Strahlimpulsen zwischen 2.6 und 2.9 GeV/c am ANKE-Spektrometer am Beschleuniger COSY in Jülich untersucht. Als effektives Neutronen-Target diente ein sogenanntes Deuterium-Cluster-Jet-Target, unter Nachweis der langsamen Rückstoßprotonen (pSP) mit Impulsen um die 80 MeV/c in einem Silizium-Teleskop in Targetnähe. Diese Protonen können als sogenannte "Spektatoren" -- also nicht am Prozess der Meson-Produktion beteiligte Zuschauer -- einzig durch ihren Einfluß auf die Reaktionskinematik berücksichtigt werden. Experimentell wird durch deren Verteilung ein gewisser Bereich in der Überschußenergie Q festgelegt, der genutzt werden kann, um Wirkungsquerschnitte in pn-Reaktionen zu bestimmen. Deuteronen, welche unter kleinen Winkeln mit ca. 2 GeV/c Impuls emittiert werden, wurden im Vorwärts-System des ANKE-Spektrometers nachgewiesen. Trotz eines um zwei Größenordnungen höheren Proton-Untergrundes wurde die Identifikation dieser Deuteronen durch geneigte Cerenkov-Zähler in Kombination mit zwei Lagen von Szintillations-Zählern ermöglicht. Die Impulse wurden durch die Informationen aus zwei Vieldraht-Proportionalkammern rekonstruiert. Damit konnten Ereignisse aus der Reaktion p n -> d omega mit Hilfe der fehlenden Masse ("Missing Mass") bestimmt werden. Um die Daten zu normieren, wurden einerseits die Effizienzen aller Detektoren bestimmt. Andererseits wurden Ereignisse aus elastischer Proton-Deuteron-Streuung unter dem Nachweiß von langsamen Deuteronen im Silizium-Teleskop genutzt, um die absolute Luminosität zu ermitteln. Messungen im p p -> p p omega Kanal an SATURNE haben gezeigt, daß unter dem omega-Peak im "Missing-Mass"-Spektrum ein beträchtlicher Beitrag der Viel-Pionen-Produktion vorliegt. Die Stärke dieses Untergrundes kann nur zuverlässig abgeschätzt werden, indem Ergebnisse oberhalb und unterhalb der omega-Schwelle miteinander verglichen werden. Hierzu wurden die Daten bei 2.6, 2.7, 2.8 und 2.9 GeV Strahlimpuls, die mittleren Q-Werten von -40, -5, 26 bzw. 60 MeV in p n -> d omega entsprechen, genutzt. Bei der höchsten Energie besteht ein eindeutiges Signal für die Produktion von omega-Mesonen, wogegen der Beitrag bei 2.8 GeV/c viel stärker von der Beschreibung des Untergrundes abhängt. Die ermittelten Wirkungsquerschnitte für p n -> d omega bei Q ~= 26 MeV bzw. 60 MeV sind bedeutend niedriger als theoretischen Voraussagen. Dies legt den Schluß nahe, daß der Reaktionsmechanismus in omega- und eta-Produktion unterschiedlich ist, was eventuell einen stärkeren Beitrag isoskalaren Mesonaustausches vermuten läßt. Messungen mit höherer Genauigkeit, sowohl in Q als auch im Wirkungsquerschnitt, sind für August 2003 geplant. Es wird erwartet, daß deren Ergebnisse noch genauere Aufschlüsse über die grundlegenden Produktionsmechanismen liefern. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Lehmann, Inti i.lehmann@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-9950
Date:	2003
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language omega , Spektator , Neutron , Meson-Produktion , COSY German omega , spectator , neutron , meson production , COSY English
Date of oral exam:	3 June 2003
Referee:	Name Academic Title Ströher, Hans Prof. Dr. UNSPECIFIED
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/995