Two-pion Production and Isovector Double-Pionic Fusion : The pp -> pn pi+ pi0 and pp -> d pi+ pi0 Reactions

Abstract

For long two-pion production has been a subject of interest, especially since the ABC effect was observed, which is an unexpected enhancement in the momentum spectrum of fused nuclei. The first measurements were inclusive, i.e. measured only the outgoing fused nucleus. As in inclusive measurements $\pi\pi$ production can be admixed with three-pion production and products from other reaction channels, a comprehensive research program was started at the CELSIUS/WASA facility to carry out exclusive measurements for many different pion production processes.\\

The WASA detector covers nearly the full solid angle of 4$\pi$. With good detection capabilities for charged and neutral particles in the central part and very good identification of charged particles in the forward part, the WASA detector is well suited for exclusive measurements of this type of reactions.\\

The ABC effect has been interpreted as a t-channel $\Delta\Delta$ excitation in the course of the reaction process. The calculations predict a peak at low and at high invariant mass in the invariant mass spectrum of $\pi\pi$. But the new exclusive measurements show, that the ABC effect is an isoscalar enhancement only at low invariant $\pi\pi$ mass - no high invariant mass peak - correlated with a narrow resonance-like structure in the total cross section. \\

To test this conclusion and to study a clean example of t-channel $\Delta\Delta$ excitation without ABC effect exclusive measurements of the isovector reaction $pp \rightarrow d \pi^+ \pi^0$ have been carried out at $T_p$ = 1.1 GeV. Additionally the reaction $pp \rightarrow pn \pi^+ \pi^0$ was measured, in order to see the difference between fusion and non-fusion processes.\\

The measurements show that the $pp \rightarrow d \pi^+ \pi^0$ channel exhibits no enhancement at low invariant masses, meaning no ABC effect. This is expected from an isovector channel due to the fact, that the pion pair must be in relative p-wave, which suppresses any enhancement at low invariant masses. Therefore this most basic isovector double-pionic fusion reaction qualifies as an ideal test case for the conventional t-channel $\Delta\Delta$ excitation process. Indeed, the obtained differential distributions reveal the conventional t-channel $\Delta\Delta$ mechanism as the appropriate reaction process, which also accounts for the observed energy dependence of the total cross section.\\

These results have been published in Physics Letters B 684 (2010) 110-113.\\ Although no good description of the reaction mechanism for $pp \rightarrow pn \pi^+ \pi^0$ is available, the differential cross sections confirm the presence of very different reaction processes in the fusion and the non-fusion channel, respectively.

Seit langem ist zwei-Pion Produktion ein interessantes Forschungthema, insbesondere seitdem der ABC Effekt beobachtet wurde. Dies ist eine unerwartete Erhoehung im Impulsspektrum von fusionierten Nukleonen. Die ersten Messungen waren inlklusive, das bedeutet, dass nur der fusionierte Nukleus gemessen wurde. Weil in inklusiven Messungen die $\pi\pi$ produktion mit drei-Pion Produktion and Produkten von anderen Reaktionskanaelen vermischt sein kann, wurde ein unfassendes Forschungsprogramm an der CELISUS/WASA Einrichtung begonnen um exklusive Messungen von vielen verschiedenen Pion Produktionsprozessen durchzufuehren. Der WASA Detektor erfasst beinahe den gesamten 4$\pi$ Winkel. Aufgrund der guten Detektion von geladenen und neutralen Teilchen im zentralen Bereich und der sehr guten Identifikation von geladenen Teilchen im Vorwaertsbereich, ist der WASA Detektor sehr gut fuer exklusive Messungen solcher Reaktionen geeignet. Der ABC Effekt wurde als eine t-Kanal $\Delta\Delta$ Anregung im Verlauf des Raktionsproyesses interpretiert. Die Berechnungen sagten eine Erhoehung bei niedrigen und eine bei hohen invarianten Massen des invarianten Massenspektrums von $\pi\pi$ vorraus. Aber die neuen exklusiven Messungen zeigen, dass der ABC Effekt ein isoscalare Erhoehung nur bei niedriegen invarianten Massen ist - es gibt keine Erhoehung bei hohen -, die mit einer schmalen Resonanz-aehnlichen Struktur im totalen Wirkungsquerschnitt verbunden ist. Um diese Schlussfolgerung zu testen und um ein sauberes Beispiel von t-Kanal $\Delta\Delta$ Anregung ohne ABC Effekt zu untersuchen, wurden exklusive Messungen der isovektoriellen Reaktion $pp \rightarrow d \pi^+ \pi^0$ bei $T_p$ = 1.1 GeV durchgefuehrt. Zusaetzlich wurde die Reaktion $pp \rightarrow pn \pi^+ \pi^0$ gemessen, um den Unterschied zwischen Fusions Prozess und Prozess ohne Fusion zu untersuchen. Die Messungen zeigen, dass der $pp \rightarrow d \pi^+ \pi^0$ Kanal keine Erhoehung bei kleinen invarianten Massen aufweist, also kein ABC Effekt auftritt. Dies ist von einem isovektoriellen Kanal zu erwarten aufgrund der Tatsache, dass das Pion Paar in relativer p-Welle sein muss, was jegliche Erhoehung bei niedrigen invarianten Massen unterdrueckt. Deshalb ist diese fundamentale Doppel-Pion Fusions Reaktion ein idealer Test fuer den konventionellen t-Kanal $\Delta\Delta$ Anregungsproyess. Tatsaechlich zeigen die gewonnenen differentiellen Verteilungen, dass der t-Kanal $\Delta\Delta$ Mechanismus geeignet ist die Reaktion zu beschreiben. Ebenfalls genuegt dieser Mechanismus der beobachteten Energieabhaengigkeit des totalen Wirkungsquerschnittes. Diese Ergebnisse wurden in Physics Letters B 684 (2010) 110-113 veroeffentlicht. Obwohl keine gute Beschreibung des Reaktionsmechanismuses fuer $pp \rightarrow pn\pi^+ \pi^0$ vorhanden ist, bestaetigen die differentiellen Wirkungsquerschnitte das Vorhandensein von sehr verschiedenen Reaktionsmechanism in den Kanaelen mit und ohne Fusion.