Messung von Polarisationsobservablen in der 2π⁰-Photoproduktion mit dem Crystal-Barrel/TAPS-Experiment

Abstract

Die Theorie der starken Wechselwirkung ist im Energiebereich ihrer Bindungszustände, der Mesonen und Baryonen, nicht störungstheoretisch behandelbar. Durch die Untersuchung des Anregungsspektrums der Baryonen kann ein besseres Verständnis der inneren Struktur der Baryonen, sowie der wirkenden Kräfte, gewonnen werden. Hierbei ist die Messung unpolarisierter Wirkungsquerschnitte nicht ausreichend um die beitragenden Resonanzen aus den Messdaten zu extrahieren und die Spinfreiheitsgrade der beteiligen Teilchen müssen berücksichtigt werden, was die Messung von Polarisationsobservablen erfordert. Wurden hinreichend viele dieser Polarisationsobservablen vermessen (sogenanntes <em>vollständiges Experiment</em>), so können mit Hilfe einer Partialwellenanalyse die Resonanzbeiträge eindeutig bestimmt werden. <br /> In dieser Arbeit wurden Daten des CBELSA/TAPS-Experiments, welche mit linear polarisiertem Photonenstrahl und transversal polarisiertem Butanol-Target aufgenommen wurden, analysiert. Es wurden Targetasymmetrien im Energiebereich 650 MeV bis 2600 MeV und Doppelpolarisationsobservablen im Energiebereich bis 950 MeV in der Reaktion γp → pπ⁰π⁰ bestimmt. Die Selektion der Ereignisse lieferte etwa 268.000 pπ⁰π⁰-Ereignisse im gesamten Energiebereich mit einem mittleren Untergrundanteil von etwa 1,5%. <br /> Zusätzliche, unter Verwendung eines reinen Kohlenstoff-Targets aufgenommene Daten, erlaubten es, den Anteil der nicht-polarisierbaren Protonen in den Kohlenstoff- und Sauerstoffkernen im Butanol zu bestimmen (Dilutionfaktor). Zur möglichst genauen Bestimmung des Dilutionfaktors kam die Methode der nächsten Nachbarn zum Einsatz, mit der der Dilutionfaktor für jedes Ereignis individuell bestimmt werden konnte. <br /> Zur Bestimmung der Observablen wurde ein ereignisbasierter Maximum-Likelihood-Fit verwendet, welcher insbesondere in kinematischen Bereichen geringer Statistik noch zuverlässige Ergebnisse liefert. Somit war es möglich, neben der zweidimensionalen Bestimmung der Observablen in allen Kombinationen kinematischer Variablen, auch die Korrelationen der kinematischen Variablen im fünfdimensionalen Phasenraum größtenteils zu berücksichtigen und eine vierdimensionale Bestimmung der Observablen durchzuführen. Sowohl die Targetasymmetrien, T bzw. P_x und P_y, als auch die Doppelpolarisationsobservablen, P̂ und H bzw. P_x^s, P_y^s, P_x^c und P_y^c, wurden in dieser Arbeit erstmalig bestimmt. <br /> Im Rahmen der Bonn-Gatchina Partialwellenanalyse trugen diese Polarisationsobservablen dazu bei, eine Vielzahl von Verzweigungsverhältnisse mit erhöhter Genauigkeit zu bestimmen und Hinweise auf die volle Dreikörperdynamik der Baryonen zu untermauern. Die beobachteten systematischen Unterschiede in den Verzweigungsverhältnissen von N^* und Δ^* lassen sich mit der inneren Struktur dieser Anregungszustände begründen: Resonanzen, welche einer Zwei-Oszillator-Anregung der SU(6)×O(3)-Symmetrie zugeordnet werden, weisen ein höheres Verzweigungsverhältnis in angeregte Zwischenzustände auf, als solche Resonanzen, die einer Ein-Oszillator-Anregung zugeordnet werden. <br /> Des Weiteren wurden Hinweise auf die mögliche Existenz einer zweiten Resonanz in der I(J^P)=3/2(1/2⁺) Partialwelle gefunden: Neben einer mit der Δ(1910)1/2⁺ kompatiblen Resonanz, ist erstmals die Δ(1750)1/2⁺ in der BnGa-PWA vertreten. Hierzu haben die in dieser Arbeit analysierten Daten einen wichtigen Beitrag geliefert.