Universität zu Köln

Strauch, Thomas (2009). High-Precision Measurement of Strong-Interaction Effects in Pionic Deuterium. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The hadronic ground state shift and width in pionic deuterium (piD) were measured with high precision at the pion factory of the Paul Scherrer Institut (PSI), Switzerland (PSI-Experiment R-06.03). The shift in pionic deuterium is directly related to the pion-nucleon isospin scattering lengths as measured from the shift and broadening in pionic hydrogen (piH)(PSI-Experiment R-98.01). The combination of the high-precision results from piH with the value from piD will provide a decisive constraint for effective field theories like chiral perturbation theory (ChiPT) describing QCD in the non-perturbative regime. In particular, the shift in piD is very sensitive to isospin-breaking corrections in contrast to charged pion-nucleon reactions. Furthermore, the hadronic width in piD is directly related to pion production at threshold, a field of considerable efforts from the theoretical side also within the frame work of ChiPT. In this experiment the piD(3p-1s) X-ray transition of about 3 keV was measured using a high-resolution Bragg crystal spectrometer equipped with a large-area position sensitive CCD detector. The characteristic X-radiation stems from a de-excitation cascade of the pionic atom. In order to produce an intense X-ray source, the cyclotron trap was used to stop pions in a cryogenic D_2 target after winding up the pion beam in a magnetic field. The hadronic shift is obtained from the measured transition energy by comparison to the pure electromagnetic value, where the determination of the broadening requires the precise knowledge of the spectrometer response, obtained from measurements of narrow X-ray transitions from highly ionised atoms, produced in an electron cyclotron resonance ion trap. The major problem of the experiment is to disentangle from the observed energy shift and width of the X-ray line the pure hadronic contributions from collision-induced effects during the atomic cascade. It is known, that molecules are formed in piD+D_2 collisons and a possible X-ray emission from molecular states leads to an additional energy shift. As the formation rate is assumed to be density dependent, the piD(3p-1s) X-ray energy was measured at three different D_2 pressures. Another cascade process (Coulomb de-excitation) transforms the energy release of de-excitation steps into kinetic energy of the collision partners leading to a Doppler broadening of subsequent X-ray transitions. The hadronic broadening is only obtained after deconvolution of the spectrometer response function and the contributions from Doppler broadening. No energy dependence of the piD(3p-1s) was found, and it is concluded that radiative de-excitation from molecular states is negligible within the experimental accuracy. Hence, the result for the shift reads epsilon(1s)=(-2.325±0.031) eV, corresponding to an accuracy of 1.3 % and represents the average of the three measured densities. The uncertainty is dominated by the accuracy of the gallium K alpha_2 transition used for the energy calibration. From the analysis of the Doppler broadening no significant contribution from high kinetic energies could be identified from the line shape. With Doppler contribution constrained to kinetic energies below a few eV, the result for the hadronic ground-state width is Gamma(1s)=(1.162 +0.024 -0.049) eV, corresponding to an accuracy of (+2.1 -4.2) %. The precision of both shift and width as obtained in this experiment reaches or exceeds the accuracy envisaged in present and forthcoming ChiPT calculations. Hence, experiment and theory contribute at comparable level to the extraction of the pion-nucleon scattering lengths and related parameters.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Hochpräzisionsmessung der Effekte der Starken Wechselwirkung in Pionischem Deuterium German
Translated abstract:	Abstract Language Die hadronische Verschiebung und Verbreiterung des Grundzustands in pionischem Deuterium (piD)wurde im Rahmen einer Hochpräzisionsmessung an der Pionfabrik des Paul Scherrer Instituts (PSI), Schweiz gemessen (PSI-Experiment R-06.03). Die Verschiebung in pionischem Deuterium steht in direkter Beziehung zu den Pion-Nukleon Streulängen die im Rahmen der Messung der Verschiebung und Verbreiterung des Grundzustands in pionischem Wasserstoff (piH) ermittelt wurden (PSI-Experiment R-98.01). Die Kombination der hochpräzisen Daten des piH Experiments mit der Verschiebung in piD erlaubt eine weitere Verbesserung im Rahmen der Rechnungen effektiver Feldtheorien wie der Chiralen Störungstheorie (ChiPT), die die QCD im nicht perturbativen Bereich beschreibt. Insbesondere ist die Verschiebung in piD im Gegensatz zu geladene Pion-Nukleon Reaktionen sehr empfindlich auf isospinbrechende Korrekturen. Desweiteren ist die hadronische Verbreiterung in piD auf direktem Wege mit Pionproduktion an der Schwelle verknüpft. Diese ist z.Zt. Gegenstand aufwändiger theoretischer Untersuchungen im Rahmen der ChiPT. In diesem Experiment wurden die 3 keV Röntgenstrahlen des 3p-1s Übergangs in piD mit einem hochauflösenden Bragg Kristallspektrometer gemessen, das mit einem großflächigen ortsempfindlichen CCD Detektor bestückt war. Die charakteristische Röntgenstrahlung stammt aus der Abregungskaskade des pionischen Atoms. Um eine intensive Röntgenquelle mit pionischen Atomen zu erzeugen wird die Zyklotronfalle benutzt, die mit Hilfe eines fokussierenden Magnetfeldes den Pionenstrahl derart aufwickelt, daß er mit ausreichender Effizienz in einem kryogenischen D_2 Target gestoppt werden kann. Die Bestimmung der hadronischen Verschiebung erfolgt durch Vergleich der gemessenen Übergangsenergie mit dem Wert für die rein elektromagnetische Übergangsenergie. Zur Bestimmung der hadronischen Verbreiterung benötigt man die genaue Kenntnis der Spektrometerauflösung. Diese wurde mit Hilfe von sehr schmalen Röntgenübergängen in stark ionisierten Atomen, die in einer Elektron-Zyklotron Ionen-Falle produziert wurden, gemessen. Eine wesentliche Schwierigkeit des Experiments besteht in der Trennung der hadronischen Anteile in der gemessenen Energieverschiebung und Verbreiterung der Röntgenlinie von Beiträgen, die während der atomaren Kaskade durch Kollisionen der Atome mit dem piD Atom induziert werden. Es ist bekannt, daß bei diesen Kollisionen komplexe Moleküle entstehen. Mögliche Röntgenemissionen aus molekularen Zuständen führen zu einer zusätzlichen Energieverschiebung. Da die Anzahl entstehender Moleküle druckabhängig ist, wurde der 3p-1s Übergang in piD bei drei verschiedenen Deuteriumdichten gemessen. Bei einem weiteren Prozess der atomaren Kaskade, der sogenannten Coulomb-Abregung, wird die freiwerdende Abregungsenergie in kinetische Energie der Kollisionspartner umgesetzt. Dies führt zu einer Dopplerverbreiterung nachfolgender Röntgenübergänge. Zur Bestimmung der hadronischen Verbreiterung müssen folglich die Auflösungsfunktion des Spektrometers und die Anteile der Dopplerverbreiterung aus dem gemessenen Spektrum entfaltet werden. Eine Druckabhängigkeit der Energie-, respektive der Linienverschiebung konnte nicht gefunden werden, d.h., der Anteil von Röntgenübergängen aus molekularen Zuständen liegt unter der Nachweisschwelle und wird daher vernachlässigbar. Das Ergebnis für die hadronische Verschiebung des Grundzustandniveaus lautet epsilon(1s)=(-2,325±0,031) eV entsprechend einem relativen Fehler von 1,3%. Dieser Wert wurde aus dem Mittel der bei drei verschiedenen Drücken gemessenen Verschiebungen bestimmt. Der Fehler wird dominiert durch die Genauigkeit des Gallium K alpha_2 Übergangs der zur Energiekalibrierung genutzt wurde. In der Analyse der Linienform konnten keine Dopplerverbreiterung durch Hochenergiekomponenten identifiziert werden. Limitiert man diese somit auf kinetische Energien von wenigen eV lautet das Ergebnis für die hadronische Grundzustandsverbreiterung Gamma(1s)=(1,162 +0,024 -0,049) eV. Dies entspricht einer relativen Genauigkeit von (+2,1 -4,2) %. Die Präzision der beiden in diesem Experiment ermittelten Werte erreicht oder übertrifft die Genauigkeit der heutigen und in naher Zukunft erwarteten Berechnungen im Rahmen der ChiPT. Somit befinden sich Experiment und Theorie auf einem vergleichbaren Stand bei der Bestimmung der Pion-Nukleon Streulängen und von diesen abgeleiteten Parametern. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Strauch, Thomas t.strauch@fz-juelich.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-28136
Date:	2009
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > Forschungszentrum Jülich
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language exotische Atome , pionisches Deuterium , Pion-Nukleon Wechselwirkung , Kristallspektrometer German exotic atom , pionic deuterium , pion-nucleon interaction , crystal spectrometer English
Date of oral exam:	29 June 2009
Referee:	Name Academic Title Gotta, Detlev PD Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2813