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First doubly polarised photoproduction on _1hn3He at the photon beam of MAMI [Elektronische Ressource] / of Patricia Aguar Bartolomé

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Published 01 January 2010
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Language English
Document size 6 MB

Johannes Gutenberg–Universit¨at
Mainz
Institut f¨ur Kernphysik 2
Collaborationa
First Doubly Polarised
3Photoproduction on He at the
Photon Beam of MAMI
Ph. D. Thesis
of
Patricia Aguar Bartolom´e
November 20102
Patricia Aguar Bartolom´e November 2010≪Wenn du es nicht versuchst,
≫wirst du es nicht bekommen
≪Si no lo intentas,
≫nunca lo conseguir´as
J. W. Goethe, “Fausto”.Dedicado a mi madre y mi hermanoi
Abstract
3A first experiment with a polarised He target was carried out in July 2009 at the
MAMI accelerator in Mainz in a photon energy range between 200 MeV and 800
MeV. The aim of this measurement was to investigate the Gerasimov-Drell-Hearn
3sumruleontheneutron.Theuseofthedataobtainedwiththepolarised Hetarget,
compared to existing data on the deuteron, gives a complementary and more direct
3access to the neutron, due to the spin structure of the He.
The measurement of the helicity dependence of the inclusive total photoabsorption
cross section required a beam of tagged circularly polarised photons incident on
3the longitudinally polarised He target. The data were taken using the 4π Crystal
Ball photon spectrometer in combination with TAPS as a forward wall and comple-
mented by a threshold Cherenkov detector used to on-line suppress the background
from electromagnetic events.
3The development and preparation of the different components of the He experi-
mental setup was an important part of this work and are described in detail in this
thesis.
Thedetectorsystemandtheanalysismethodweretestedbythemeasurementofthe
unpolarised total inclusive photoabsorption cross section on liquid hydrogen. The
results obtained are in good agreement with previous published data.
Preliminary results of the unpolarised total photoabsorption cross section, as well
3as the helicity dependent photoabsorption cross section difference on He compared
with several theoretical models will also be presented.
PhD thesis First Doubly Polarised Photoproduction on
3He at the Photon Beam of MAMIii
Zusammenfassung
Im Juli 2009 wurde am Mainzer Microtron (MAMI) erstmal ein Experiment
3durchgefu¨hrt, bei dem ein polarisiertes He Target mit Photonen im Energiebereich
von 200 bis 800 MeV untersucht wurde. Das Ziel dieses Experiments war die
¨Uberpru¨fung der Gerasimov-Drell-Hearn Summenregel am Neutron. Die Verwen-
3dung der Messdaten welche mit dem polarisierten He Target gewonnen wurden,
geben - im Vergleich mit den bereits existieren Daten vom Deuteron - aufgrund der
3Spin-Struktur des He einen komplement¨aren und direkteren Zugang zum Neutron.
Die Messung des totalen helizit¨atsabh¨angigen Photoabsorptions-
Wirkungsquerschnitts wurde mittels eines energiemarkierten Strahls von zirkular
3polarisierten Photonen, welcher auf das longitudinal polarisierte He Target trifft,
durchgefu¨hrt.AlsProduktdetektoren kamenderCrystalBall(4π Raumabdeckung),
TAPS (als ”Vorw¨artswand”) sowie ein Schwellen-Cherenkov-Detektor (online Veto
zur Reduktion von elektromagnetischen Ereignissen) zum Einsatz.
3Planung und Aufbau der verschiedenen komponenten Teile des He Experimen-
taufbaus war ein entscheidender Teil dieser Dissertation und wird detailliert
in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Das Detektorsystem als auch die
Analyse-Methoden wurden durch die Messung des unpolarisierten, totalen und
inklusiven Photoabsoprtions-Wirkungsquerschnitts an flu¨ssigem Wasserstoff
¨getestet. Hierbei zeigten die Ergebnisse eine gute Ubereinstimmung mit bere-
its zuvor publizierten Daten. Vorl¨aufige Ergebnisse des unpolarisierten totalen
Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitts sowie der helizit¨atsabh¨angige Unter-
3schied zwischen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitten an He im Vergleich zu
verschiedenen theoretischen Modellen werden vorgestellt.
Patricia Aguar Bartolom´e November 2010Contents
1 Introduction 1
2 The Gerasimov-Drell-Hearn Sum Rule 3
2.1 Derivation of the GDH Sum Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Forward Compton Scattering Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Causality and Analyticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.3 Crossing Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.4 Dispersion Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.5 GDH Sum Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Generalised GDH Sum Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Experimental Check of the GDH Sum Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 The GDH Sum Rule on the neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5 Pion Photoproduction Multipole Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3 Experimental Setup 19
3.1 Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 The Mainz Microtron (MAMI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 Photon Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 Glasgow-Mainz Tagger Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.2 Photon Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.3 Photon Polarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
33.4 The Polarised He Gas Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 The Detector Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.6 Cherenkov Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
iiiiv CONTENTS
3.6.2 Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.6.3 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.6.4 Efficiency test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.7 TAPS Forward Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.8 Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
34 The Polarized He Gas Target 51
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
34.2 Polarisation of He . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
34.2.1 He Polarising System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
34.3 He Polarisation Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
34.4 He Target Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.2 Target Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4.3 Magnetic Holding Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4.4 External Magnetic Holding Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.5 Polarimetry Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5 Experimental Method 73
5.1 Total Inclusive Cross Section Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Trigger Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6 Data Analysis 75
6.1 Cross Section Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.2 Event Selection Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.3 Tagger Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3.1 Photon Beam Energy Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3.2 Timing Alignment & Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4 Photon Cluster Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.5 Random Subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.6 Total Photoabsorption Cross Section on Unpolarised Hydrogen . . . . . . . 83
36.7 Total Photoabsorption Cross Section on Polarised He . . . . . . . . . . . . 85
36.7.1 He Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.7.2 GEANT Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Patricia Aguar Bartolom´e November 2010CONTENTS v
7 Results 95
37.1 Total Photoabsorption Cross Section on Unpolarised He . . . . . . . . . . 95
37.2 Helicity Dependent Total Photoabsorption Cross Section Difference on He 97
7.3 The GDH Sum Rule on the neutron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
8 Summary and Conclusions 103
PhD thesis First Doubly Polarised Photoproduction on
3He at the Photon Beam of MAMIvi CONTENTS
Patricia Aguar Bartolom´e November 2010