Double Pionic Fusion to 4He - Kinematically Complete Measurements over the Energy Region of the ABC Effect

Abstract

The double-pionic fusion to light nuclei slightly above the threshold is governed by the so-called ABC effect, a huge enhancement in the invariant mass spectrum of the pion pair at low masses. Now 50 years have passed since its discovery, but still this phenomenon is lacking a satisfying explanation. One reason is that all the early experiments were inclusive, measuring only the heavy ejectile. Thus not all kinematic variables could be obtained. For this reason exclusive, kinematically complete measurements of the double-pion production were performed with the WASA detector.

This work is about the fusion to 4He. At nine beam energies over the whole energy region of the ABC effect the dd->4He pi0 pi0 reaction was measured. For the first time the energy dependence of the ABC effect was investigated in exclusive measurements. For these experiments new detector components for the WASA detector system were developed, which was also part of this thesis.

The results open a completely new view on the ABC effect. Apparently the additional information gained by the measurement of all kinematic variables is essential for the understanding of the phenomenon. Previous models developed at hand of inclusive measurements cannot reproduce the new results.

The data identify the enhancement at low pion-pion invariant masses as a very strong and narrow peak accompanied with a strong energy dependence of the total cross section. A comparison with the recent results in the basic reaction of the ABC effect, pn->d pi pi, confirms the assumption that both reactions, the fusion to deuteron and the fusion to 4He, are goverend by the same underlying process.

The results indicate that the ABC effect is driven by a resonance in the pn and Delta-Delta systems, which is strong enough to survive in a nuclear medium. And in fact the recently developed ABC resonance model describes both reactions with amazing accuracy.

Die doppelt-pionische Fusion leichter Kerne wird kurz oberhalb der Energieschwelle vom sogenannten ABC-Effekt dominiert, einer riesigen Überhöhung an der Massenschwelle im Spektrum der invarianten Masse des Pionpaars. Bis heute, 50 Jahre nach seiner Entdeckung, gibt es keine zufriedenstellende Erklärung für dieses Phänomen. Ein Grund dafür ist, dass in den früheren Messungen nur das schwere Ejektil gemessen und nicht alle kinematischen Variablen ermittelt werden konnten. Deshalb wurden mit dem WASA Detektor exklusive, kinematisch vollständige Messungen der Zwei-Pion-Produktion unternommmen.

Diese Arbeit widmet sich der Fusion zu 4He. Bei neun Strahlenergien über den gesamten Bereich des ABC-Effekts wurde die Reaktion dd ->4He pi0 pi0 gemessen. Damit wird zum erstem Mal die Energieabhängigkeit des ABC-Effekts in exklusiven Messungen untersucht. Zur Durchführung der Experimente wurden neue Detektorkomponenten für den WASA Detektor benötigt, deren Entwicklung und Aufbau ebenfalls Teil dieser Arbeit sind.

Die Ergebnissse eröffnen einen völlig neuen Zugang zum ABC-Effekt. Die zusätzlichen Informationen durch die Messung aller kinematischen Variablen erweisen sich als essentiell für das Verständnis des Phänomens. So können die konventionellen Modelle, die anhand der inklusiven Daten entwickelt wurden, die neuen Ergebnisse nicht repoduzieren.

Die Daten weisen die Überhoehung bei kleinen invarianten Pion-Pion-Massen als einen sehr hohen und schmalen Peak aus, der mit einer starken Energieabhängigkeit des totalen Wirkungsquerschnitts einhergeht. Der Vergleich mit den neuesten Ergebnissen in der Basisreaktion des ABC-Effekts, pn->d pi pi, untermauert die Vermutung, dass sowohl der Fusion zu d als auch der Fusion zu 4He derselbe Prozess zugrunde liegt.

Die Resultate weisen darauf hin, dass der ABC-Effekt von einer Resonanz in pn- und Delta-Delta-Systemen getragen wird, die stark genug ist, auch im nuklearen Medium zu bestehen. Tatsächlich beschreibt das neu entwickelte ABC-Resonanz-Modell die Daten in beiden Reaktionen mit bemerkenswerter Genauigkeit.