Photoproduktion von π⁰ω am Proton bei Energien bis zu 3 GeV

Abstract

Die CB-ELSA Kollaboration hat in 2001 Daten zur Photoproduktion von Mesonen an einem Wasserstofftarget genommen. Die Elektronenbeschleunigeranlage ELSA wurde auf eine Energie von 3.2 GeV eingestellt und mittels eines Radiators wurde Bremsstrahlung erzeugt. Die abgelenkten Elektronen wurden mit einem Tagging-System nachgewiesen, das Photonenergien von 727 bis 2970 MeV abdeckte. Zum experimentellen Aufbau gehörte der Crystal Barrel Detektor, ein Kalorimeter bestehend aus 1380 CsI(Tl) Kristallen, das 98 % des Raumwinkels abdeckt. Der Detektor ist mit seiner hohen Granularität und guten Energieauflösung hervorragend zur Untersuchung von Multi-Photon-Endzuständen geeignet. <br /> In den aufgenommenen Daten wurden 2000 Ereignisse des Typs γp→pπ⁰ω identifiziert. Das Proton wurde durch die Kombination von Ansprechern im inneren Szintillationsfaserdetektor mit Ansprechern im Crystal Barrel Kalorimeter bestimmt. Ereignisse mit fünf Photonen im Endzustand wurden selektiert und einer kinematischen Anpassung unterzogen, um sicherzustellen, dass sie mit der Hypothese pπ⁰π⁰γ verträglich waren. Die ω-Mesonen wurden über die invariante Masse des π⁰γ-Systems identifiziert. <br /> Im pπ⁰π⁰γ-Zwischenzustand wurde ein hoher Untergrundanteil in der Massenregion des ω-Mesons gefunden. Es wurde festgestellt, dass dieser dominant von der Reaktion γp→p 3 π⁰ stammte. Um den erwarteten mit dem beobachteten Untergrund in den π⁰γ-Spektren vergleichen zu können, wurde der Wirkungsquerschnitt von γp→p 3 π⁰ abgeschätzt. Der verbleibende Untergrundanteil konnte auf einen kombinatorischen Ursprung zurückgeführt werden. Mit diesen beiden Beiträgen gelang eine gute Beschreibung des Untergrundes in der ω-Massenregion. <br /> Die differentiellen Wirkungsquerschnitte der Reaktion γp→pπ⁰ω wurden erstmals bestimmt. Der differentielle Wirkungsquerschnitt dσ/dΩ (cos θ_ω) weist einen starken Anstieg in Vorwärtsrichtung und einen nahezu konstanten Sockel auf. Der differentielle Wirkungsquerschnitt dσ/dt (|t-t_min|), wobei t das Quadrat des Viererimpulsübertrags auf das ω-Meson ist, zeigt einen exponentiellen Abfall, wie er für eine diffraktive Mesonproduktion charakteristisch ist. Die zugehörige Steigung ist nahezu konstant in den abgedeckten Energiebereichen.<br /> Auch die differentiellen Wirkungsquerschnitte dσ/dΩ und dσ/dt des Pions wurden bestimmt. Sie weisen keine signifikanten Strukturen auf und belegen, dass die Pionproduktion im t-Kanal nicht oder nur schwach zum Wirkungsquerschnitt von γp→pπ⁰ω beiträgt. <br /> Zum ersten Mal wurde der totale Wirkungsquerschnitt dieser Reaktion bestimmt. Dies geschah durch eine Extrapolation und Summation der differentiellen Wirkungsquerschnitte. Die Streuung der Werte, die aus den einzelnen differentiellen Wirkungsquerschnitten bestimmt wurden, diente zur Abschätzung des systematischen Unsicherheit. Der totale Wirkungsquerschnitt von γp→pπ⁰ω weist einen langsamen Anstieg von der Schwelle bis 2400 MeV auf. Zwischen 2500 und 3000 MeV liegt die Variation der Daten in der Größenordnung der Fehler. Der Wirkungsquerschnitt hat ein Maximum von 6.57 ± 0.57_stat ± 0.35_syst μb bei 2450 MeV. <br /> Zur Bestimmung von resonanten Beiträgen wurden die invarianten Massen untersucht. Die differentiellen Wirkungsquerschnitte dσ/dm des pπ⁰ Systems weisen einen starken Δ-Beitrag auf. Dieser beeinflusst auch die differentiellen Wirkungsquerschnitte dσ/dm des pω und π⁰ω Systems, die hauptsächlich kinematische Reflexionen auf Grund des Δ im pπ⁰-System zeigen. <br /> Die dσ/dm Spektren von pπ⁰ wurden mit einer Breit-Wigner-Funktion und Phasenraum verteilten Ereignissen angepasst. Der Wirkungsquerschnitt von γp→Δω und von γp-→π⁰ω ohne Δω-Beiträge wurden ermittelt. Der Vergleich mit den γp-ω-Daten von LAMP2 zeigt eine Übereinstimmung im Rahmen der großen statistischen und systematischen Unsicherheiten.<br /> Es konnte belegt werden, dass der untersuchte Kanal viel versprechend im Hinblick auf Δ-Resonanzen, die in Δω zerfallen, ist. Für einige fehlende oder nur schwach etablierte Zustände wurde vorhergesagt, dass sie eine Kopplung an die untersuchte Reaktion aufweisen. Für eine eindeutige Bestimmung der resonanten und nicht-resonanten Anteile an den γp→pπ⁰ω und γp→Δω Wirkungsquerschnitten wird eine größere Zahl von Ereignissen benötigt. Dies kann mit den Daten hoher Statistik, die in 2002 und 2003 mit dem CBELSA/TAPS-Experiment genommen wurden, angegangen werden.

<strong>Photoproduction of π⁰ω off protons at energies up to 3 GeV</strong><br /> The CB-ELSA collaboration measured in 2001 photoproduction of mesons off a hydrogen target. The electron accelerator ELSA was used at an energy of 3.2 GeV and bremsstrahlung was produced at a radiator. Deflected electrons were detected with a tagging system covering the photon energy range from 727 to 2970 MeV. The experimental setup included the Crystal Barrel detector formerly used at LEAR, a calorimeter consisting of 1380 CsI(Tl) crystals, covering 98 % of 4π solid angle. The detector with its high granularity and energy resolution is excellently suited for the detection of multi photon final states. <br /> From the data, events due to the reaction γp→pπ⁰ω were selected; 2000 events of this type were identified. The proton was identified by matching a hit in the inner scintillating fiber detector and an energy deposition in the Crystal Barrel calorimeter. Events with five photons in the final state were selected and kinematical fitted to ensure that they were compatible with a pπ⁰π⁰γ hypothesis. ω mesons were identified in the π⁰γ invariant mass distribution. <br /> In the intermediate pπ⁰π⁰γ state a sizeable background was found in the mass region of the ω meson. The background was identified as being dominantly from the reaction γp→p 3 π⁰. To compare quantitatively the expected and the reconstructed background in the π⁰γ spectra, the cross section of γp→p 3 π⁰ was estimated. The residual background was identified as being of combinatorial origin. A good description of the background in the ω mass region was achieved by taking into account these two contributions. <br /> The differential cross sections of the reaction γp→pπ⁰ω were determined for the first time. The differential cross section dσ/dΩ (cos θ_ω) shows a strong rise in the forward direction and an offset of nearly constant magnitude. The differential cross section dσ/d t (|t-t_min|), where t is the squared four momentum transfer to the ω meson shows an exponential drop off characteristic for a diffractive production of the meson. The corresponding slope parameter is nearly constant in the energy regions covered. <br /> The differential cross sections dσ/dΩ and dσ/d t of the pion were also determined. They show no significant structures and demonstrate that pion production in the t-channel provides no or only a small contribution to the cross section of γp→pπ⁰ω. <br /> For the first time the total cross section for this reactions was determined. This was done by a extrapolation and summation of the differential cross sections. The spread of values obtained from the different differential cross sections gave an estimate of the systematic uncertainty. The total cross section for γp->pπ⁰ω shows a slow rise from threshold up to 2400 MeV. Between 2500 and 3000 MeV the variation of the data points is in the same order as the errors. The cross section has a maximum of 6.57 ± 0.57_stat ± 0.35_syst μb at 2450 MeV. <br /> To determine resonant contributions the invariant masses were examined. The differential cross sections dσ/d m of the pπ⁰ system show a strong Δ contribution. This affects also the differential cross sections dσ/d m of the pω and π⁰ω systems, which show mainly kinematical reflections due to the Δ in the pπ⁰ system. <br /> The dσ/d m spectra of pπ⁰ were fitted with a Breit-Wigner and a phase space distribution. The cross section of γp→Δω and the cross section of γp→pπ⁰ω without Δω contributions were determined. The comparison of the γp→Δω data with the LAMP2 data shows agreement within the large statistical and systematic uncertainties. <br /> First evidence was found that this channel is interesting with respect to Δ resonances decaying into Δω. Some missing or weakly established states are predicted to couple to the examined reaction. For a reliable disentanglement of resonant and non-resonant contributions to the γp→pπ⁰ω and γp→Δω cross sections a larger number of events is needed. This aim can be addressed with the high statistics data taken in 2002 and 2003 with the CBELSA/TAPS experiment.