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Modifikationen von Pionenpaaren in Kernmaterie

Modification of pionpairs in nuclear matter

Gregor, Ralf


pdf-Format: Dokument 1.pdf (14.344 KB)

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Medium Modifikation , Pionenpaare , Kernmaterie
Freie Schlagwörter (Englisch): Medium modification , pion-pairs , nuclear matter
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: II. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.07.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 28.01.2010
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit wird die quasifreie Photoproduktion von Pionenpaaren an gebundenen Nukleonen
gamma + Alpha → pi pi (Alpha-1) + Ny
für die Festkörpertargets Kohlenstoff, Kalzium und Blei untersucht. Diese Messungen erlauben eine vom Isospin abhängige Bestimmung von In-Medium Modifikation der Pionenpaare in nuklearer Materie.
In früheren Experimenten wurden pioneninduzierte Messungen von Pionenpaaren z.B von der CHAOS-Kollaboration und der Crystal Ball-Kollaboration durchgeführt. Die dabei gewonnenen invarianten Massenverteilungen im isoskalaren pi pi-System zeigten mit zunehmender Massenzahl des Targets eine Verschiebung zur 2pi Schwelle hin. Dies wurde als teilweise Wiederherstellung der chiralen Symmetrie mit zunehmender nuklearer Dichte in Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen gedeutet.
Da Pionen jedoch bereits an der Oberfläche der Kerne absorbiert werden, waren diese Messungen nur auf relativ geringe effektive Kernmateriedichten sensitiv. Im Gegensatz dazu erreichen Photonen das gesamte Kernvolumen, so daß sich mit Photonenstrahlen die Produktion von Pionenpaaren bei nahezu normaler Kernmateriedichte untersuchen läßt. Hierzu wurde ein entsprechendes Pionierexperiment in 1995 an MAMI B mit dem TAPS Detektor durchgeführt. Auch bei dieser Messung wurde eine Verschiebung der invarianten Massenverteilung mit zunehmender Massenzahl im pi° pi° Kanal gefunden. Im pi° pi± Kanal wurde diese Abhängigkeit von der Massenzahl nicht gesehen.
Dies bestätigte die früheren Messungen, da eine Verschiebung, die nur durch Endzustandswechselwirkungen der Pionen hervorgerufen wird, in erster Näherung eine gleichmäßige Auswirkung auf beide Kanäle haben sollte.
Aufgrund der geringen Statistik war die Aussagekraft dieser Daten jedoch beschränkt.
Mit dem in dieser Arbeit beschriebenem Experiment wurde eine verbesserte Statistik erreicht, die eine Überprüfung der alten Daten ermöglicht und erlaubt das Signal in seiner Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, wie dem Impuls des pi pi-Systems oder dem Impuls der einzelnen Pionen, zu untersuchen. In diesem Experiment wurde der TAPS Detektor als Vorwärtswand zusammen mit dem Crystal Ball Detektor als 4pi-System am Beschleuniger MAMI betrieben. Ende 2003 wurde der Aufbau des Experiments begonnen, in dem für den TAPS Detektor erstmals die neu entwickelte Ausleseelektronik verwendet wurde. Zwischen Juni 2004 und April 2005 wurden erfolgreich die Messungen an den oben aufgeführten sowie noch weiteren Targets durchgeführt.
Die in meiner Arbeit ausgewerteten Daten bestätigen die zuvor gemessenen und publizierten Daten. Allerdings ist der Effekt der Verschiebung der invarianten pi° pi° Masse zur 2pi Schwelle hin nicht so stark ausgeprägt, wie im vorherigen Experiment. Durch Einschränkung der einzelnen Pionenimpulse auf einen Wert, der einer möglichst großen freien Weglänge des Pions entspricht, wurde der Verschiebungseffekt noch etwas deutlicher herausgestellt. BUU-Transport-Rechnungen können den Unterschied zwischen beiden Isospinkanälen nicht vollständig beschreiben. Da in diese Rechnungen aber bisher ein ungenauer Photoproduktionsquerschnitt am Neutron einfließt, kann noch keine abschließende Beurteilung abgegeben werden, ob die auftretenden Effekte allein durch Endzustandswechselwirkungen der Pionen beschrieben werden können, oder ob es ich doch um eine teilweise Wiederherstellung der chiralen Symmetrie handelt. Mit dem von Stefan Lugert in einer weiteren Dissertation analysierten Querschnitt am Neutron kann demnächst die BUU-Rechnung verbessert und mit den analysierten Daten verglichen werden.
Ein weiterer Teil meiner Arbeit betraf die Entwicklung einer Datenakquisition, die auf der parallelen Auslese der einzelnen neu entwickelten Auslesemodule beruht. Jeweils 16 dieser neuen Elektronikmodule wurden in 8 VME Racks eingesetzt und von VME-Rechnern im jeweiligen Rack ausgelesen. Die ausgelesenen Daten wurden zu einem Master PC geschickt, der die einzelnen Daten zu einem Gesamtereignis zusammenf"ugt. Das komplette Ereignis kann dann in einer Datei gespeichert werden (wenn TAPS allein betrieben wird) oder an eine Datenakquisation eines anderen Detektors geschickt werden. In unserer Meßperiode war dies das Acqu-System, das auch die Photonenmarkierungsanlage und den Crystal Ball Detektor ausgelesen hat. Entscheidend war hierbei, die Synchronisation der verschiedenen Detektor-Ereignisse sicher zu stellen.
Kurzfassung auf Englisch: In this work the quasifree photoproduction of pionpairs on bound nucleons is analyzed for the solid targets carbon, calcium and lead. These measurements allow an isospin dependent determination of the in medium properties of pion pairs.
In former experiments pion induced production of pion pairs was measured by the CHAOS- and Crystal Ball collaborations. The invariant mass distributions showed a shift in strength towards the threshold region with increasing atomic number of the targets in case of an isoscalar pi pi meson system. According to theoretical predictions this effect was interpreted as a positive signature of a partial restoration of chiral symmetry.
As pions are strongly interacting particles, which get absorbed in the surface region of the nucleus, these measurement only probed small effective densities. In contrast, photons can penetrate the whole nucleus resulting in a higher effective nuclear density. A pioneering experiment with photon beams was performed by the TAPS collaboration at the accelerator facility MAMI-B in Mainz in 1995. This measurement observed an invariant mass shift of the isoscalar pi° pi° channel with increasing atomic number. In the pi± pi° channel this effect was not observed. This observation confirmed the former experiments, since final state interactions of the pions would affect in first order both isospin channels in a similar way.
Due to the poor statistics, the significance of the data was however limited.
The experiment described in this work reached a much higher statistical significance, allowing a review of the old data and a study of the dependence of the signal from parameters like the momenta of the pi pi system or the single pions. In this experiment, the TAPS detector was used as a forward wall in combination with the Crystal Ball detector to achieve a 4pi solid angle coverage for photon detection at the MAMI accelerator facility. The installation of the experimental setup started at the end of 2003. The new readout electronics for the BaF 2 crystals was used for the first time. Between June 2004 and April 2005 measurements on several targets were performed, including the targets analysed in this work.
The new data analysis confirms the previously measured and published data. However, the shift of the invariant pi° pi° mass to the threshold region is less pronounced than in the published data. By performing cuts on the individual pion momenta, resulting in a maximum mean free path of the pions, the shift towards lower masses is enhanced. BUU transport calculations can not describe the different behavior in the isospin channels, which may partly be due to uncertainties in the production crossection on the neutron. Therefore, a final interpretation of the observed mass shift - whether it can be described by final state interaction alone or by a partial restoration of chiral symmetry - can not be made as yet. With the cross section determination on the neutron, done by Stefan Lugert in his ongoing PhD work, the BUU calculations can be refined and compared to the analyzed data.
Another part of my PhD thesis has been the development of the new data acquisition, based on the parallel readout of the newly developed readout electronics. The 8 VME crates, containing 16 readout modules each, were read out by one VME computer in every crate. The data was sent to a master PC, which combined the data packets to a global event. This event can be stored on disk e.g. when TAPS is operated in stand-alone mode, or it can be sent to the data acquisition of another detector system. During our measurement campaign, the Acqu system, that reads out the tagger and the Crystal Ball, was used as the master system. A major issue was to guarantee the synchronisation of all detector sub-events.