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Zusammenfassung (Deutsch)

Der Zerfallskanal η → π⁺π⁻γ erlaubt Einblicke in den anomalen Sektor der Quanten Chromodynamik, da die Zerfallsstärke dieses Kanals sensitiv zur sogenannten Box Anomalie ist. Diese Anomalie ist Bestandteil desWess-Zumino-Witten Lagrangians, welcher Mesonenzerfälle im chiralen Grenzfall (d.h. vernachlässigbare Quarkmassen) beschreibt. Allerdings ist dieser chirale Grenzfall im Experiment nicht realisiert und damit ist die Grundvoraussetzung für die Sensitivität von η → π⁺π⁻γ zur Box Anomalie nicht mehr gegeben. Ferner wird die Anomalie von Wechselwirkung zwischen den beiden geladenen Pionen dominiert. DieseWechselwirkungen müssen in der Beschreibung des Zerfalls η → π⁺π⁻γ berücksichtigt werden, was durch mehrere theoretische Vorhersagen bewerkstelligt wird [1,2,3,4]. Diese Modelle können im Experiment durch Messung des relativen Verzweigungsverhältnisses zwischen η → π⁺π⁻γ und η → π⁺π⁻π⁰ sowie der Energieverteilung des Photons aus η → π⁺π⁻γ untersucht bzw. überprüft werden.

Zur Bestimmung dieser beiden Größen gab es verschiedene experimentelle Ansätze (z.B. Messungen der CLEO [5], KLOE [6] und der WASA-at-COSY Kollaboration [7]). Um beide Observablen simultan mit ausreichend statistischer Signifikanz zu bestimmen, wurde der Kanal η → π⁺π⁻γ in der Proton-Proton induzierten Reaktion pp → ppη[η → π⁺π⁻γ] am WASA-at-COSY Experiment gemessen. Der WASA Detektor deckt nahezu den gesamten Raumwinkel ab und erlaubt es alle an der Reaktion beteiligten Teilchen inklusive ihrer Energien und Winkel zu rekonstruieren.

Die Hauptaufgabe bei der Analyse von Proton-Proton induzierten η Zerfällen besteht in der Differenzierung zwischen dem eigentlichen η Signal und den Untergrundsignalen aus Multi-Pion Produktionsmechanismen, welche mit der Produktion der η Mesonen einhergehen. Für den vorliegenden Zerfallskanal kommen noch erschwerend Untergrundbeiträge des Referenzkanals η → π⁺π⁻π⁰ hinzu. Dies erfordert eine detaillierte Analyse, in der das η → π⁺π⁻γ Signal aus dem oben genannten Untergrund heraus gefiltert werden kann.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse des pp → ppη Datensatz, welcher im Jahr 2010 am WASA-at-COSY Experiment gemessen wurde. Neben der Rekonstruktion des Zerfalls η → π⁺π⁻γ , die den Hauptanteil dieser Arbeit stellen wird, werden die mit der Analyse einhergehenden systematischen Effekte untersucht und diskutiert. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse werden im Rahmen der systematischen Unsicherheiten bewertet und mit bereits existierenden Daten wie auch vorhandenen theoretischen Modellen verglichen.

Zusammenfassung (Englisch)

The radiative decay η → π⁺π⁻γ provides the opportunity to investigate anomalies in Quantum Chromo Dynamics as well as pion final state interactions.

In the limit of vanishing quark masses the decay amplitude of this reaction is solely driven by the box anomaly term which is part of the Wess-Zumino-Witten Lagrangian. However, when going to physical quark masses, the decay amplitude is dominated by pion-pion final state interactions which are described by several theoretical models [1,2,3,4]. The experimental observables to characterise this decay and to test the theoretical models are the relative branching ratio between η → π⁺π⁻γ and η → π⁺π⁻π⁰ as well as the photon energy distribution of the single photon in η → π⁺π⁻γ.

Several experimental efforts have been made (e.g. by the CLEO [5], KLOE [6] and WASA-at-COSY collaboration [7]) in order to determine one of those quantities. In order to measure both observables simultaneously within one data set with high statistics, the reaction pp → ppη[η → π⁺π⁻γ] has been investigated with the WASA-at-COSY facility. The measurement represents a large statistics data set and provides the possibility to determine the relative branching ratio and the photon energy distribution simultaneously. The WASA detector covers nearly the full solid angle and is able to measure all final state particles with their corresponding momenta as well as their angular distributions.

The essential challenge of measuring the decay η → π⁺π⁻γ in proton-proton reactions, is to disentangle between: (i) contributions related to this decay, (ii) events stemming from multi-pion-production reactions,which come along with the production of η mesons, and (iii) events related to the decay η → π⁺π⁻π⁰. Thus, a dedicated analysis is needed where the η → π⁺π⁻γ signal is filtered out of the background reactions (ii) and (iii).

This work deals with the analysis of the pp → ppη data set which has been acquired in 2010 with the WASA-at-COSY experiment. Besides the reconstruction of η → π⁺π⁻γ events (which will be the major part within this work), systematical errors that come along with the analysis are investigated and discussed. Finally, the achieved results will be interpreted within those errors and compared to previously acquired experimental results and theoretical predictions.

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