Total Cross Sections for Pion Charge Exchange on the Proton

Abstract

In der QCD ist die Massendifferenz von Up- und Down-Quark die Ursache der Isospinbrechung in der starken Wechselwirkung. Als das am einfachste zugaengliche hadronische System bietet das Pion-Proton-System den besten Zugriff auf die Verletzung der Isospinsymmetrie in der starken Wechselwirkung. In Pion-Proton-Streuexperimenten ist die elastische pi+-p --> pi+-p Streuung und die einfache Ladungsaustauschreaktion (SCX) pi-p --> pi0 n am leichtesten zu messen. Die Streuamplituden dieser drei Reaktionskanaele stehen in einer Beziehung zueinander, welche als "Dreiecksidentitaet" bezeichnet wird. Ist der Isospin erhalten, dann ist diese Relation erfuellt. Verschiedene Arbeitsgruppen haben in Analysen von Streudaten widerspruechliche Resultate mit Werten fuer die Isospinbrechung zwischen 0.7% und 7% erhalten. Die Ergebnisse dieser Analysen sind jedoch durch den geringen Umfang und die Ungenauigkeit der SCX-Datenbasis beeintraechtigt. Aus diesem Grunde wurde ein Messprogramm zur Verbesserung der SCX-Messdaten durchgefuehrt. Diese Arbeit beschreibt die Messung des totalen SCX-Wirkungsquerschnittes mit der Hilfe eines neuen 4pi-Szintillationsdetektors. Der in der Messung abgedeckte Energiebereich fuer einlaufende Pionen betraegt 38 bis 250 MeV. Die verwendete Messmethode misst die Transmission eines Strahls monoenergetischer negativer Pionen an einem Protonentarget durch Vergleich der Intensitaeten von ein- und auslaufenden geladenen Pionen. Auf diese Weise werden Ereignisse mit neutralen Reaktionsprodukten gezaehlt. Drei Zaehler, die der Strahldefinition dienen, detektieren die einlaufenden negativen Pionen.Der 4pi-Szintillationsdetektor, der das Target umgibt, ist nicht empfindlich auf die bei der SCX-Reaktion entstehenden neutralen Teilchen. Um den totalen SCX-Wirkungsquerschnitt von Wasserstoff zu erhalten, wurden sukzessive Messungen mit einem CH2-Target, einem C-Target und einem Leertarget durgefuehrt. Daraus wird der totale SCX-Wirkungsquerschnitt von Wasserstoff ermittelt. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit besteht aus einer umfangreichen, auf Einzelereignissen basierenden Offline-Datenanalyse. Dafuer wurden zu jedem Ereignis die Messdaten aller im Experiment beteiligten QDC, TDC und FADC Module verwendet. In der Datenanalyse wurden verschiedene Korrekturen auf die Daten angewendet. Diese sind die Korrektur auf zufaellige Ereignisse, die Detektion der ungeladenen Teilchen im Detektor, den Dalitz-Zerfall, den Pion-Zerfall und den Pion-Einfang. Als bisher einziges Experiment deckt diese Messung die Delta-Resonanz und die sp-Interferenzregion in einem experimentellen Aufbau ab und verbessert damit deutlich die vorhandene SCX-Datenbasis. Eine Genauigkeit von besser als 2% wurde fast durchweg erreicht. Lediglich bei Energien unterhalb von 80MeV stieg der Messfehler infolge von Absorptionseffekten in den Targets an. Signifikante Abweichungen von frueheren Messungen wurden i. a. nicht beobachtet. Die Kontroverse zwischen frueheren Transmissionsexperimenten wurde zu Gunsten der frueheren Messungen von Bugg et al. entschieden. Die interessanteste Abweichung von anderen Messungen wie auch von den Vorhersagen der SAID FA02 Streuphasenanalyse wurde im Bereich 60 bis 90MeV gefunden, wo dieses Experiment signifikant kleinere Wirkungsquerschnitte ergibt. Es wird versucht die Abweichung als Ergebnis einer Isospinbrechung zu verstehen. Die s-Wellen Amplituden sind durch elastische Pion-NuKleon Streudaten gut festgelegt. Es wird gezeigt, dass die Beschreibung der SCX-Wirkungsquerschnitte dadurch verbessert werden kann, dass die s-Wellen Amplituden um (4+-1.5)% verringert werden. Der genaue Wert ist abhaengig von den verwendeten SCX-Daten und von den Parametern der Delta0 Breit-Wigner Resonanz, welche die p33-Welle beschreibt. Dies zeigt auf, dass zur Bestimmung der Isospinbrechung sowohl s-Wellen- als auch p-Welleneffekte mit eingeschlossen werden sollten. Interessanter Weise stimmen unsere fuer die Delta0-Resonanz erhaltenen Parameter besser mit denen der Delta++-Resonanz ueberein als bisher angegeben.

In QCD the mass difference of the up- and down-quarks is the origin of the isospin violation in the strong interaction. The pion-nucleon system is the simplest accessible system which provides information about the isospin breaking in the strong interaction. There are three experimentally accessible reaction channels which may be used to obtain information about the role of isospin in the Pion-Nucleon system: pi+-p -->pi+-p elastic scattering and the single charge exchange (SCX) pi-p -->pi0n. The amplitudes for these reactions fulfill a triangle relation if isospin is conserved. Various tests from several groups result in contradictory outputs with an isospin violation ranging from 0.7% to 7%. What arises from these different results is that the analyses are severely affected by the small amount of SCX data. Therefore a program to increase the available SCX data base was undertaken. This work describes the measurement of total SCX cross sections employing a new 4pi scintillation counter to perform transmission measurements in the incident pion energy range from about 38 to 250MeV. The main focus was to obtain improved accuracy in comparison to existing measurements in the energy region below 100MeV. A small 4pi detector box consisting of thin plastic scintillators has been constructed. The transmission technique, which was used, relates the number of transmitted charged pions to that of incident beam pions and this way effectively counts events with neutral products. The incoming negative pions were counted by three beam defining counters before they hit a target of very well known size and chemical composition. The target was placed in the box detector which was not sensitive to the neutral particles resulting from the SCX. The total cross section for emerging neutral particles was derived from the comparison of the numbers of the incoming and transmitted charged particles. The total SCX cross section on hydrogen was derived from the transmissions of a CH2 target, a carbon target and an empty target. For a detailed offline analysis all TDC, QDC and FADC information was recorded in an event by event mode for each triggered beam event. Various corrections had to be applied to the data, such as random correction, the detection of neutrals in the detector, Dalitz decay, pion decay and the radiative pion capture. This measurement covers, as the only experiment, the whole Delta-resonance and the sp-interference region in one single experimental setup and improves the available data base for the SCX reaction. An accuracy of better than 2% was achieved for almost all energies. Unfortunately at energies below 80MeV unforeseen experimental problems with absorption effects, energy loss in the targets and a careful analysis resulted in increased errors at low energies. In general the results of this experiment show no significant discrepancies with previous measurements. The dispute between former transmission experiments was settled in favor of the early measurement of Bugg et al.. The most interesting discrepancy to former experiments as well as to the SAID FA02 partial wave analysis was found in the range form 60 to 90MeV were the results of this measurement are significantly smaller. This deviation can be understood as a result of an isospin violation. It is shown that the description of the SCX cross sections is improved if the s-wave amplitudes, that have been fixed essentially by elastic pion-nucleon scattering data, is reduced by (4+-1.5)%. The exact value depends on the SCX literature data included and on the parameters of the Delta0 Breit-Wigner resonance describing the p33-waves. This shows that p-wave as well as s-wave effects should be consideredin studies of isospin symmetry breaking. Interestingly, our best fit parameters of the Delta0-resonance are much closer to that of the Delta++-resonance than previously reported.