Untersuchung kleiner Partialwellenbeiträge in der Nähe dominierender Resonanzzustände des Protons mit linear polarisierten Photonen

Abstract

Das Anregungsspektrum des Protons enthält eine Vielzahl breiter, sich gegenseitig überlappender Zustände, die experimentell schwierig zu separieren sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Experimente in Energiebereichen mit dominierenden Resonanzen durchgeführt. <br /> Die π⁰-Elektroproduktion eröffnet die Möglichkeit, den Übergang des Nukleons zur Δ(1232)-Resonanz zu untersuchen, der neben dem dominierenden magnetischen Dipolübergang auch durch einen coulombartigen Quadrupolübergang erfolgen kann. Zur Klärung einer Diskrepanz existierender Messungen des Verhältnisses der Stärke der Quadrupol- zur Dipolanregung (CMR) war die Zielsetzung des Experimentes am MAMI eine gleichzeitige Bestimmung der Quadrupolamplitude S₁₊ und der nichtresonanten "Untergrund"-Amplitude S₀₊. Unter Ausnutzung der Polarisationseinstellungen der virtuellen Photonen ist es durch Messungen rechts und links des Impulsübertrages möglich, den Longitudinal-Transversal-Interferenzteil des Wirkungsquerschnitts in Form einer Asymmetrie ρ_LT zu extrahieren. Aus dieser ist die Extraktion der Multipolverhältnisse sowohl in einer s- und p-Wellennäherung, unter der alleinigen Berücksichtigung der experimentellen Observablen, als auch im Rahmen einer vollen Rechnung mit MAID2003 möglich. Beide Ergebnisse zeigen, daß ein stark negatives CMR, wie aus einem vorangegangenen Experiment bestimmt, ausgeschlossen werden kann. <br /> Durch die Vermessung von Polarisationsobservablen in der Nähe dominierender Resonanzen erhält man Zugang zu kleinen Resonanzen, die zum Wirkungsquerschnitt nur vernachlässigbar beitragen. Dies wurde in der η-Photoproduktion zur Untersuchung von Resonanzbeiträgen in der Nähe der S₁₁(1535)-Resonanz mit ihrer außergewöhnlich starken Kopplung an den η-N-Zerfallskanal ausgenutzt. Um für die Meson-Photoproduktion die Möglichkeit zu gewinnen, bestimmte Polarisationsobservablen zu vermessen, ist die Verwendung eines zumindest teilweise linear polarisierten Photonstrahls notwendig. Dieser kann unter Ausnutzung der kohärenten Bremsstrahlung an einem Diamant-Kristall erzeugt werden. Dazu wird der Kristall mittels eines Goniometers sehr präzise relativ zum Elektronenstrahl ausgerichtet. Ein entsprechendes System wurde im Rahmen dieser Arbeit für das CB/TAPS-Experiment aufgebaut und als Standardanwendung am Elektronenbeschleuniger ELSA integriert. Der für die Extraktion der Polarisationsobservablen Σ, der sogenannten Photonasymmetrie, benötigte Grad der Linearpolarisation (P) wurde in einer eigenständigen Datenanalyse bestimmt. <br /> Im CB/TAPS-Experiment konnte unter Verwendung des linear polarisierten Photonstrahls erstmals die Photonasymmetrie an ELSA gemessen werden. Die aufgenommenen Daten wurden in dieser Arbeit in Hinblick auf die Reaktionen γp -> p&π⁰ und γp -> pη untersucht. In der Analyse konnten nach der Detektorrekonstruktion die Endzustände über die Zerfälle in die neutralen Kanäle η -> γγ, η -> π⁰π⁰π⁰ und π⁰ ->γγ identifiziert und die entsprechenden Ereignisse selektiert werden. Die cos(2φ)-Modulation in der Winkelverteilung der rekonstruierten Mesonen erlaubt die Bestimmung des Produktes P·Σ. Erste Ergebnisse für die Messung der Photonasymmetrie in der π⁰- und η-Photoproduktion an ELSA werden in dieser Arbeit vorgestellt. Diese sind innerhalb ihrer statistischen und systematischen Fehler mit Ergebnissen von Messungen der GRAAL-Kollaboration kompatibel. Dadurch ist eine unabhängige Überprüfung sowohl der Bestimmung des Polarisationsgrades als auch der Extraktion der Winkelasymmetrien gegeben. Die Ergebnisse für die Photonasymmetrie im η-N-Kanal ermöglichen im Rahmen einer Partialwellenanalyse im Bereich der S₁₁(1535)-Resonanz den Zugang zu Resonanzen mit kleinen Beiträgen, insbesondere der D₁₃(1520)-Resonanz. Im Energiebereich oberhalb der S₁₁(1535)- Resonanz wird die Photonasymmetrie von der Bonner Partialwellenanalyse und der Eta-MAID Rechnung gleich gut beschrieben. Allerdings verwenden diese beiden Rechnungen unterschiedlich starke Beträge von einzelnen Resonanzen. Für die eindeutige Trennung und Beschreibung der Zustände liefert die zukünftige Vermessung von Doppel-Polarisationsobservablen weitere Randbedingungen und ist deshalb in Hinblick auf ein vollständiges Experiment von entscheidender Bedeutung.