ABC Effect and d* Resonance in Double-Pionic Fusion to 3He

Abstract

The ABC effect denotes a pronounced low-mass enhancement in the invariant mass spectrum of two pions generated in double-pionic fusion processes to bound nuclear systems. Recently it has been found to be correlated to a resonance structure in the energy dependence of the total cross section of such processes. Investigations of the double-pionic fusion to deuteron and 4He with kinematically complete high-statistics measurements have been crucial for the understanding the ABC effect, which has been a puzzle for half a century. The double-pionic fusion to 3He, the first reaction where the ABC effect was observed, has been studied in the present work by exclusive and kinematically complete experiments for the first time over the whole energy region, where the effect takes place. To investigate the energy dependence of the cross section the pd → 3He π0π0 reaction was measured with the WASA detector at COSY under two kinematically different regimes measurement of single-energy pd collisions at a proton beam energy of Tp = 1.0 GeV and measurement of the quasi-free dd → 3He π0π0(nspect) reaction at a deuteron beam energy of Td = 1.7 GeV. Similar to the observations in the basic pn → dπ0π0 reaction and in the dd → 4He π0π0 reaction, a resonance-like energy dependence in the total cross section is observed. The ABC effect is connected to the excitation of a resonance, called d , in pn and ΔΔ systems. The resonance is observed, in the 3He case, with a mass of Md*(3He) ≈ 2.37 GeV and an effective width of Γd*(3He) = 85 MeV. The ABC resonance model, which includes this dibaryonic resonance, also describes successfully the present data. During the experiment also a DIRC detector was tested, which was constructed at Tübingen and which served as prototype for the future PANDA experiment at FAIR.

Der ABC-Effekt bezeichnet eine ausgeprägte Überhöhung bei niedrigen Massen im Spektrum der invarianten Masse zweier Pionen, die in der doppeltpionischen Fusion zu einem gebundenen nuklearen System erzeugt wurden. Kürzlich wurde erkannt, dass dieser Effekt mit einer Resonanzstruktur in der Energieabhängigkeit des totalen Wirkungsquerschnitts derartiger Fusionsprozesse korreliert ist. Untersuchungen der doppelt-pionischen Fusion zu Deuterium und 4He mit kinematisch kompletten Hochstatistik-Messungen waren ausschlaggebend für das neue Verständnis des ABC Effekts, der ein Puzzle für mehr als ein halbes Jahrhundert darstellte. In dieser Arbeit wird die doppelt-pionische Fusion zu 3He untersucht, also die historisch erste Reaktion, in der der ABC-Effekt beobachtet wurde. Erstmals wird nun diese Reaktion durch exklusive und kinematisch komplette Experimente über den gesamten Energiebereich vermessen, in dem dieser Effekt auftritt. Um die Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnitts zu untersuchen, wurde die Reaktion pd → 3He π0π0 mit dem WASA-Detektor an COSY unter zwei kinematisch unterschiedlichen Bedingungen untersucht: zum einem mit pd-Kollisionen bei einer Protonenstrahlenergie von Tp = 1.0 GeV und zum anderen mit einer Messung der quasifreien Reaktion dd → 3He π0π0(nspect) bei einer Deuteronstrahlenergie von Td = 1.7 GeV. Ähnlich wie bei früheren Messungen in der fundamentalen Fusionsreaktion pn → dπ0π0 sowie der Reaktion dd → 4He π0π0 wird auch hier eine resonanzartige Energieabhängigkeit des totalen Wirkungsquerschnitts beobachtet. Der ABC-Effekt ist auch hier mit der Anregung einer Resonanz d * in pn- und ΔΔ-Systemen verbunden. Diese Resonanz wird im Fall von 3He bei einer Masse von Md*(3He) ≈ 2.37 GeV mit einer effektiven Breite von Γd*(3He) = 85 MeV beobachtet. Das ABC-Resonanzmodell, das diese dibaryonische Resonanz beinhaltet, beschreibt erfolgreich die in dieser Arbeit erhaltenen Daten. Während der Experimente wurde auch ein in Tübingen entwickelter DIRC-Detektor getestet, der als Prototyp für das zukünftige PANDA-Experiemt an FAIR dient.