Light Meson Production in pp Reactions at CELSIUS/WASA above the eta Threshold

Abstract

Neutral three pion production in pp scattering at energies above the eta meson production threshold has been studied using the CELSIUS/WASA detector setup. Luminosities of up to 6 * 10^30 /cm^2/s could be obtained due to the unique WASA pellet target system and resulted in the collection of significant amounts of data at three different beam energies ranging from T=1300 MeV to T=1450 MeV.

Prompt (pp -> pp 3pi0) and resonant (pp -> pp (eta -> 3pi0) ) production contribute simultaneously to the obtained event samples. The large geometric detector acceptance allows for the complete reconstruction of all final state particles, namely the two protons and six gammas from the pi0 -> gamma gamma decays. Therefore, both reaction channels can be separated based on the missing mass of the two reconstructed protons.

Prompt 3pi0 production constitutes the major background contribution, also for future measurements of several rare eta decay channels with the WASA detector. Excitation functions of the prompt 3pi0 production cross section are obtained by measuring simultaneously the prompt and resonant 3pi0 production and using the latter channel for normalization. The obtained prompt cross sections are approximately proportional to the energy dependent phase space volume, and thus allow for a rough extrapolation to higher energies.

Invariant mass distributions of two particle subsystems for the resonant channel show the energy dependent influence of final state interaction on the eta production mechanism.

The 3pi0 Dalitz plot density distribution for the eta decay channel, described in terms of the neutral slope parameter alpha, reveals a slight density variation induced by the strong and energy dependent pi pi interaction. A first WASA result for alpha is obtained and compared to theoretical predictions and to results from other experiments.

In order to further improve the track reconstruction capabilities, in particular for the reconstruction of neutrons, an additional detector component, the scintillator hodoscope FRI, was developed and added to the WASA detector setup. Time and energy calibration procedures for FRI are described, and basic performance of the detector component is confirmed.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Daten des CELSIUS/WASA Experimentes in Hinsicht auf neutrale 3pi0 Produktion in pp Streuung bei Energien oberhalb der eta Produktionsschwelle analysiert. Die Untersuchungen wurden bei drei verschiedenen Strahlenergien zwischen 1300 MeV und 1450 MeV mit Luminositaeten von bis zu 6 * 10^30 /cm^2/s durchgefuehrt. Dies ermoeglicht die Analyse auch von differentiellen Verteilungen mit ausreichender Statistik. Prompte ( pp -> pp 3pi0 ) und resonante ( pp -> pp (eta -> 3pi0) ) Produktion tragen gemeinsam zu den erhaltenen Daten bei. Aufgrund der hohen geometrischen Akzeptanz des WASA Detektors ist die vollstaendige Rekonstruktion aller auslaufenden Endzustandsteilchen moeglich: der beiden Protonen und der 6 Gammas, welche vom pi0 -> gamma gamma Zerfall herruehren. Dies ermoeglicht eine Trennung von prompter und resonanter Produktion anhand der "missing mass" der auslaufenden Protonen.

Prompte 3pi0 Produktion spielt eine wichtige Rolle als Untergrundreaktion, auch fuer die Untersuchung anderer, seltenerer eta Zerfallskanaele bei WASA. Wirkungsquerschnitte und Anregungsfunktionen fuer die prompte 3pi0 Produktion werden hier durch Normierung auf den bekannten eta Wirkungsquerschnitt abgeleitet. Die erhaltenen Wirkungsquerschnitte sind in erster Naeherung proportional zum energie-abhaengigen Phasenraumvolumen. Dies erlaubt eine grobe Extrapolation auch zu hoeheren Energien.

Der resonante Anteil erlaubt die Untersuchung des eta Produktionsmechanismus anhand von invarianten Massenverteilungen verschiedener Zweiteilchen-Subsysteme und offenbart deutliche Anzeichen von Endzustandswechselwirkung in Abhaengigkeit der verfuegbaren Ueberschussenergie. Die Verteilung der Ereignisse in einem Dalitzplot der drei Pionen fuer den resonanten Produktionskanal ist nicht isotrop sondern zeigt eine leichte Dichte-Variation, hervorgerufen durch die energieabhaengige Starke Wechselwirkung zwischen den Pionen. Die Dichteverteilung wird ueblicherweise mit Hilfe des linearen Steigungsparameters alpha parametrisiert. Ein erstes WASA Ergebnis fuer alpha wird mit Ergebnissen anderer Experimente und mit theoretischen Vorhersagen verglichen.

Um die Spurrekonstruktion des WASA Detektors weiter zu verbessern, insbesondere auch in Hinsicht auf die Rekonstruktion von Neutronen, wurde der Detektor um eine weitere Komponente, ein zweilagiges Szintillatorhodoskop, erweitert. Die Funktionsfaehigkeit dieser neuen Detektorkomponente wird gezeigt, sowie Methoden zur Zeit- und Energiekalibration beschrieben.