The π−η and π−η′ systems in exclusive 190 GeV π−p reactions at COMPASS (CERN)

Diese Dissertation widmet sich der Analyse der Eigenschaften der
Systeme π−η und π−η′. Wir untersuchen dazu Daten, welche das
COMPASS-Experiment am CERN im Jahr 2008 bei den Reaktionen π−p
π−π−π+π0p bzw. π−p π−π−π+η mit niedrigem Impulsu ̈bertrag auf das
Targetproton (0.1 GeV^2 < −t < 1 GeV^2) aufgezeichnet hat.
Die isoskalaren Mesonen η und η′ erscheinen dann als Peaks in den
invariante-Masse-Spektren der Dreikörpersysteme π−π+π0 bzw. π−π+η,
die jeweils im Endzustand π−π+γγ selektiert wurden. Wir zerlegen
die so gewonnenen Zweikörpersysteme nach Partialwellen. Wir finden
eine einfache Vorschrift, welche es erlaubt allein anhand von
Phasenraumfaktoren mit guter Übereinstimmung die Amplituden der
geraden Partialwellen D+ (JP = 2+) und G+ (JP = 4+) zwischen den
beiden Endzuständen zu übersetzen. Desweiteren gehen wir der Frage
nach, ob eine beobachtete Intensität der P+-Welle mit einer
Resonanz identifiziert werden kann. Ihr neutraler Isospinpartner
hätte Quantenzahlen JPC = 1−+, welche nicht mit einem
Fermion-Antifermion-Zustand identifiziert werden können, welche
also nicht einem Quarkmodellzustand zugeordnet werden können. Zudem
identifizieren wir die bekannten Mesonen a2(1320) und a4(2040),
deren Verzweigungsverhältnisse wir bestimmen. Bevor wir zu diesen
Ergebnissen kommen, beschreiben wir die bekannten Eigenschaften der
starken Wechselwirkung im Hinblick auf die Systematisierung
mesonischer Systeme. Wir diskutieren die im von uns betrachteten
Bereich hoher Energien und niedriger Impulsüberträge übliche
Behandlung von Streuprozessen als t-Kanalaustausch sogenannter
Regge-Trajektorien und erörtern Symmetrieeigenschaften, welche die
Datenanlyse erheblich vereinfachen. Anschließend diskutieren wir
das COMPASS-Experiment, wobei wir besonderes Gewicht auf die Teile
legen, welche bei der Gewinnung der in dieser Arbeit analysierten
Daten wesentlich waren. Insbesondere beschreiben wir den als Teil
dieser Arbeit entwickelten Sandwich-Veto-Detektor, ein
elektromagneitsches Kalorimeter, welches als wesentlicher Teil des
Triggersystems die verwertbaren Daten um einen Faktor > 3
anreicherte, indem es Ereignisse ausschloss, in welchen
Reaktionsprodukte das Spektrometer verfehlten. Um die
Datenselektion mit bestmöglicher Qualität durchführen zu können,
wurde im Rahmen dieser Arbeit ein datenbasiertes Eichverfahren für
die elektromagnetischen Kalorimeter des COMPASS-Experiments
entwickelt. Eine Software zum kinematischen Fit wurde ebenso
entwickelt und benutzt, um eine möglichst hohe Auflösung zu
erzielen. Wir zeigen kinematische Größen, die die vorliegenden
Produktionsmechanismen verdeut- lichen. Wir erläutern das
Analyseverfahren der sogenannten Partialwellenanalyse in seiner
Anwendung auf die betrachteten periphär produzierten Systeme aus
zwei Pseudoskalaren Teilchen und die benutzten Softwarelösungen,
welche teilweise eigens für diese Arbeit entwickelt wurden. Diese
Techniken wenden wir auf die Daten an und kommen so zu den bereits
oben erwähnten Ergebnissen. Wir vergleichen auch die Ergebnisse,
die wir mit zwei verschiedenen Ansätzen erhalten. Beim einen wird
das π−η(′)-System als Zweikörpersystem behandelt, beim anderen
werden die Dreikörperzerfälle η π−π+π0 bzw. η′ π−π+η zur
Untergrundseparation benutzt und somit ein Vierkörpersystem
behandelt. Wir heben an dieser Stelle besonders hervor, dass wir
eine einfache Transformation finden, welche es erlaubt die
beobachteten Partialwellen D+ und G+ mit Quantenzahlen JP = 2+ bzw.
4+ zwischen den beiden Systemen ηπ− und η′π− als qualitativ
gleichartig zu erkennen. Wir stellen aber auch fest, dass diese
Gleichartigkeit für die spin-exotische P+-Welle nicht gegeben ist.
Zuletzt führen wir in Analogie zu früheren Analysen Modellfits
durch, in welchen wir Parametrisierungen der Daten anhand von
Breit-Wigner-Resonanzamplituden finden, und nutzen diese, um
Verzweigungsverhältnisse der bekannten a2(1320) und a4(2040)
Mesonen zu gewinnen. Wir vergleichen diese mit den Vorhersagen aus
der Theorie der η-η′-Mischung, und im Falle des a2(1320), mit
früheren Messungen. In Anhängen sammeln wir einige nützliche
Formeln und außerdem Ergebnisse, welche nicht zum Hauptteil dieser
Arbeit passen.