Production of pi0pi0 and pi+pi+ Pairs in Proton-Proton Collisions

Abstract

Die pi0pi0-Produktion im Proton-Proton-Stoß wurde von der Schwelle bis zu einer Strahlenergie von 1.3 GeV gemessen. Die Experimente wurden mit dem WASA 4pi-Detektor mit internem Pellet-Target am CELSIUS Speicherring in Uppsala / Schweden durchgeführt. Zusätzlich wurde die pi+pi+-Production bei einer Einschussenergie von 1.1 GeV gemessen. Die an WASA erhaltenen pi0pi0- und pi+pi+-Daten stellen die ersten exklusiv vermessenen Daten von ausreichender Statistik im betrachteten Energiebereich dar, die Zugang zu differentiellen Observablen erlaubt. Die extrahierten totalen und differentiellen Wirkungsqueschnitte für die Reaktionen pp->pppi0pi0 und pp->nnpi+pi+ werden mit den theoretischen Vorhersagen des Valencia-Models verglichen. Für Energien nahe der Schwelle, d. h. bis zu 0.9 GeV, werden die pi0pi0-Daten quantitativ durch Anregung und Zerfall der Roper-Resonanz beschrieben. Dabei stellt sich heraus, dass der direkte Zerfall in den N-sigma -Kanal der klar dominierende Zwei-Pion-Zefallsprozess ist – was für die Interpretation der Roper-Resonanz als einer Monopol-Anregung des Nukleons spricht. Bei Energien von Tp > 1 GeV, d. h. im Energiebereich oberhalb der Roper-Anregung, aber am Beginn der Delta-Delta-Anregung, werden die beobachteten totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitten sehr verschieden von den theore-tischen Vorhersagen. Die differentiellen Wirkungsquerschnitte können allerdings zufriedenstellend beschrieben werden, wenn die Bildung der speziellen Konfiguration (Delta-Delata) angenommen wird. Darüber hinaus zeigen die pi0pi0-Daten eine kleine, aber systematische Erhöhung bei kleinen Massen im invarianten pi0pi0-Massenspektrum. Außerdem liegt der totale pppi0pi0-Wirkungsquerschnitt weit unterhalb der theoretischen Vorhersagen, während gleichzeitig der nnpi+pi+-Wirkungsquerschnitt einen Faktor fünf größer ist als in diesen Rechnungen erwartet. Eine modellunbeschränkte Isospin-Zerlegung der totalen Wirkungsquerschnitte liefert eine s-Kanal ähnliche Energieabhängigkeit der Roper-Anregung ebenso wie einen signifikanten Beitrag einer höher liegenden Isospin=3/2-Resonanz. Als möglicher Kandidat wird die Delta(1600)-Resonanz diskutiert.

The pi0pi0 production in proton-proton collisions has been measured in the energy range from threshold up to 1.3 GeV using the WASA 4pi detector setup with an internal pellet target at the CELSIUS storage ring in Uppsala. In addition the pi+pi+ production has been measured at an incident energy of 1.1 GeV. The pi0pi0 and pi+pi+ data taken at WASA constitute the first exclusively measured samples of solid statistics in the considered energy range. Total and differential cross sections for the pp->pppi0pi0 and pp->nnpi+pi+ reactions are systematically compared to the Valencia model predictions. At incident energies close to threshold, i.e. up to 0.9 GeV, the pi0pi0 data can be successfully explained by excitation and decay of the Roper resonance. Its direct decay into the N-sigma channel is found to be by far the dominating two-pion decay process – in favor of a monopole excitation of the Roper resonance. At energy Tp > 1 GeV, i.e. in the energy region, which is beyond the Roper excitation but at the onset of Delta-Delta excitation, a behavior is observed which is different from the theoretical prediction both in differential and total cross sections. The differential cross sections for pi0pi0 channel in the Delta-Delta region can be described, if the special configuration (Delta-Delta) is assumed. Moreover, the pi0pi0 data exhibit a small systematic low-mass enhancement in the pi0pi0 invariant mass spectrum. The total pppi0pi0 cross sections fall behind theoretical predictions, whereas the nnpi+pi+ cross section is a factor of five larger that expected. A model-unconstrained isospin decomposition of the total cross sections points to a s-channel-like energy dependence of the Roper excitation as well as to a significant contribution of an isospin 3/2 resonance other than the Delta(1232). As a possible candidate the Delta(1600) is discussed.