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Daniel Elsner 1 Baryonspektroskopie mit polarisierten Photonenstrahlen – aktuelle Ergebnisse der Experimente an ELSA Daniel Elsner Physikalisches Institut Universität Bonn für die CBELSA/TAPS-Collaboration DPG Frühjahrstagung - Münster 21.-25. März 2011 funded by the DFG within the SFB/TR16
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Baryonspektroskopie mit polarisierten …...Daniel Elsner 1 Baryonspektroskopie mit polarisierten Photonenstrahlen – aktuelle Ergebnisse der Experimente an ELSA Daniel Elsner Physikalisches

Apr 12, 2020

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Page 1: Baryonspektroskopie mit polarisierten …...Daniel Elsner 1 Baryonspektroskopie mit polarisierten Photonenstrahlen – aktuelle Ergebnisse der Experimente an ELSA Daniel Elsner Physikalisches

Daniel Elsner 1

Baryonspektroskopie

mit polarisierten Photonenstrahlen –

aktuelle Ergebnisse

der Experimente an ELSA

Daniel ElsnerPhysikalisches InstitutUniversität Bonn

für die CBELSA/TAPS-Collaboration

DPG Frühjahrstagung

-

Münster 21.-25. März 2011

funded

by

the

DFGwithin

the

SFB/TR16

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Daniel Elsner 2

Outline

Introduction

Experimental setup–

polarised

photon

beams

at ELSA

longitudinally

polarised

target–

Crystal Barrel detector

setup

Resultssingle

meson

photo

production

+ single

& double polarisation

observables

Summary

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Daniel Elsner 3

Motivation baryon

spectroscopy

ener

gy

eV

MeV

atom

nucleon

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Daniel Elsner 4

Motivation photo

production

Xp

p

p +

+

+ p p + +

+ p p +

+ p p + + p K+

+

/ GeV

W / GeV

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Daniel Elsner 5

Motivation baryon

spectroscopy

Löhring, Metsch, Petry, EPJ A10, 395(2001)

?

??

?

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Daniel Elsner 6

Motivation photo

production

• avoid

artificial

selection

(e.g. πN coupling) → photo

production, measure

many

decay

channels

• sensitivity

to „low

intensity“

resonances→ polarisation

observables

,,,,,, K

?,,,, N

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Daniel Elsner 7

- - - - x´

z´-

x y z -

-

-

x z x z

photon

target

recoil

(target

+ recoil)

unpolarised

σ0

0 T

0 0 P

0 Tx´

-Lx´

Tz´

Lz´

linearly

pol. -Σ

H (-P) -G

Ox´

(-T) Oz´

(-Lz´) (Tz´) (-Lx´) (-Tx´)

circularly

pol. 0 F 0 -E

-Cx´

0 -Cz´

0 0 0 0 Knöchlein, Drechsel, Tiator

Z.Phys. A 352 (1995)

Observables

in meson

photo

production

single

pseudoscalar

meson

photo

production

= dσ0

[ 1-

Pγlin

( Σ

cos

-

G

PT,z

sin 2Φ) -

E

Pγcirc

PT,z

]dσ

= dσ0

[ 1-

Pγlin

( Σ

cos

-

G

PT,z

sin 2Φ) -

E

Pγcirc

PT,z

]

Linearly polarised photons: Pγlin

Circularly polaris. photons: Pγcirc

Longitudinally polaris. protons: PT,z

Example:

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Daniel Elsner 8

Electron

Stretcher

Accelerator

0.5 GeV

to 3.5 GeV(polarised) electron

beam

electron

polarisation72% @ 1.9 GeV65% @ 2.4 GeV

BGO -

ODBGO

ELSA talks:HK 26.4HK 26.5

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Daniel Elsner 9

Coherent

BS linearly

polarised

photons

structure

(diamond

crystal)Laue-Bragg

condition q=ng

kinematical

constraint

0.25 0.5 0.75 1.0 E /E0

ddE

incoherentcoherent

coh./incoh.

E =E0-Ee-

E0,p0

E ,k

T,q

Ee-,p

Incoherent

BS

Linearly

polarised

photons

via Coherent

Bremsstrahlung

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Daniel Elsner 10

Linearly

polarised

photons

via Coherent

Bremsstrahlung

x

z

z h

x v

Pol

aris

atio

nsgr

ad

r

elat

ive

Inte

nsitä

t

Polmax

61% Polmax

58% Polmax

54%

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Daniel Elsner 11

Circularly

polarised

photons

& Møller

polarimetry

A = N - NN Nzz

+

beam

polarisation

P = Azz

P aTzz•

B

counting

rate asymmetry

• longitudinally polarised

electrons • helicity

transfer to photon

• measurement

of electron

polarisationusing

Møller

polarimeter

Pol

aris

atio

n / %

Date

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Daniel Elsner 12

Experimental hall

Crystal Barrel set-up BGO -

Open Dipole set-up

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Daniel Elsner 13

Crystal Barrel / Taps setup

electron beam

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Daniel Elsner 14

60 m

mbeam

target

internal superconducting 'holding coil’liquid helium from the still

100 mmButanol (C4

H9

OH)

Frozen

spin

target

-

polarisation: Dynamic

Nuclear

Polarisation at high B-field

(2.5 T)-

target

material: chem. endowed

Butanol (C4

H9

OH)

-

„freeze“

up the

spin

(0.4 T) at 50 mK-

horizontal

cryostat

(→ 4π

accept.) with

integrated

solenoid

(∆B/B ~10-4), NMR

-

relaxation

time T~500h- ~75% long. polarisation(max. 83%)

Bonn: H. Dutz, S. GoertzBochum: W. Meyer, S. Reichertz

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Daniel Elsner 15

Frozen

spin

target

-

polarisation: Dynamic

Nuclear

Polarisation at high B-field

(2.5 T)-

target

material: chem. endowed

Butanol (C4

H9

OH)

-

„freeze“

up the

spin

(0.4 T) at 50 mK-

horizontal

cryostat

(→ 4π

accept.) with

integrated

solenoid

(∆B/B ~10-4), NMR

-

relaxation

time T~500h- ~75% long. polarisation(max. 83%)

Bonn: H. Dutz, S. GoertzBochum: W. Meyer, S. Reichertz

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Daniel Elsner 16

Frozen

spin

target

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Daniel Elsner 17

Frozen

spin

target

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Daniel Elsner 18

Frozen

spin

target

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Daniel Elsner 19

Frozen

spin

target

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Daniel Elsner 20

Frozen

spin

target

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Daniel Elsner 21

Frozen

spin

target

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Daniel Elsner 22

Frozen

spin

target

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Daniel Elsner 23

Frozen

spin

target

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Daniel Elsner 24

Crystal Barrel setup

• Crystal Barrel detector1230 CsI

crystals

forward

detector

(FWPlug)90 CsI

crystals

with

PM’s,

12 deg. –

30 deg.

• Inner-detectorcylinder

of 513 scintillating

fibers

forward

detector

(MiniTAPS)216 BaF2

, 1 deg. -12 deg.(not

shown)

Close to 4π

coverage

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Daniel Elsner 25

Polarisation observables

at ELSA

Linearly polarised photons: Pγlin

Circularly polaris. photons: Pγcirc

Longitudinally polaris. protons: PT,z

Transversally polaris. protons: PT,x

& PT,y

= dσ0

[ 1-

Pγlin

( Σ

cos

-

G

PT,z

sin 2Φ)

-

E

Pγcirc

PT,z

]

= dσ0

[ 1-

Pγlin

( H

PT,x

sin 2Φ

+ P

PT,y

cos

2Φ)

+ F

Pγcirc

PT,x

+ T

PT,y

]

photophoto

productionproduction

qq22

= 0 = 0 →→

real real photonsphotons

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Daniel Elsner 26

CB double pol. observables @ DPG Frühjahrstagung

2011

Vahe

Sokhoyan

(Bonn) –

HK 4.2:Measurment

of polarization

observables

Is

und Ic

in the

reaction

γ

p → p π0π0

with

the

CBELSA/TAPS experiment

Jan Hartmann (Bonn) –

HK 4.3:Messung von Polarisationsobservablen

in der Meson‐Photoproduktion mit linear polarisiertem Strahl und transversal polarisierten Target (γ

p → p π0

/ p η)

Annika Thiel (Bonn) –

HK 4.4:Messung der Doppelpolarisationsobservablen

G in π0

‐ und η‐Photoproduktion

Manuela Gottschall (Bonn) –

HK 4.5:Bestimmung der Doppelpolarisationsobservablen

E für die Reaktion γ

p → p π0

Thomas Jude (Bonn) –

HK 4.7:Meas. of the

beam‐target

double polarization

observable, E for

γ(pK0)Σ+

with

the

CBELSA/TAPS experiment

Holger Eberhardt (Bonn) –

HK 17.6:Messung von Polarisationsobservablen

in der ω

Photoproduktion

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Daniel Elsner 27

η-photoproduction

(γp

→ pη) photon

beam

asymmetry

Elsner D. et al., EPJ A 33, 147 (2007)

θηcm

Σ

BnGa

η-MAIDsensitive not sens.

D13(1520) MAID/BnGaD15(1675) MAID BnGaP11(1710) MAID BnGaP13(1720) BnGa MAID

CBELSA/TAPS dataset

2003

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Daniel Elsner 28

Double polarisation

observable

G γ

+ p → p + π0

linearly polarised

photonslongitudinally polarised

proton

__

BoGa

__ SAID

__ MAID

G

A. Thiel -

HK 4.4

Prediction partialwave analysis

• pol. target

(C4

H9

OH ) → effective

dilution

factor

!

G

E

=967 MeV E

=1067 MeVPreliminary

results

CBGRAAL data

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Daniel Elsner 29

Double polarisation

observable

G γ

+ p → p + η A. Thiel -

HK 4.4

Preliminary

results

CB

GRAAL data

linearly polarised

photonslongitudinally polarised

proton

CB data

2003

__

BoGa

__ SAID

__ MAID

Eγ= 1050 MeV

G

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Daniel Elsner 30

Helicity dependent

cross section γ

+ p → p + π0

circularly

polarised

photon

beasm

longitudinally

polarised

proton

target

P33 (1232)

N1/

2 -N

3/2

´

M. Gottschall -

HK 4.5

with acceptance correction no normalisation

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Daniel Elsner 31

Helicity dependent

total cross section γ

+ p → p + η

circularly

polarised

photon

beasm

longitudinally

polarised

proton

target

S11 (1535)

Preliminary

results

(J. Müller)

P11 (1710)

P13 (1720)

N1/

2 -N

3/2

no acceptance correction

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Daniel Elsner 32

Polarisation observables

at ELSA

Linearly polarised photons: Pγlin

Circularly polaris. photons: Pγcirc

Longitudinally polaris. protons: PT,z

Transversally polaris. protons: PT,x

& PT,y

= dσ0

[ 1-

Pγlin

( Σ

cos

-

G

PT,z

sin 2Φ)

-

E

Pγcirc

PT,z

]

= dσ0

[ 1-

Pγlin

( H

PT,x

sin 2Φ

+ P

PT,y

cos

2Φ)

+ F

Pγcirc

PT,x

+ T

PT,y

]

photophoto

productionproduction

qq22

= 0 = 0 →→

real real photonsphotons

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Daniel Elsner 33

Motivation: Target asymmetry

in γ

+ p → p + η

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Daniel Elsner 34

Target asymmetry

T γ

+ p → p + η

unpolarized

beam•

transversely

polarized

target

(direction

of pol.: β

= 99°)

Jan Hartmann HK 4.3

Recoil

Polarization

P and Observable

H

transversely

polarized

target+ linearly

polarized

photon

beam

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Daniel Elsner 35

Electromagnetic

excitation

off the

neutron

Example:Cross section

for

γ

+ n → n + η

Jaegle, Phys. Rev. Lett. 100:252002 (2008)

Narrow

structure

in the

excitation

function

GRAAL W≈1680 MeV, Γ<30MeV

Tohoku-LNS

W≈1666 MeV, Γ<40MeV

ELSA W≈1685 MeV, Γ<60MeV

MAMI-C W≈1675 MeV, Γ<40MeV

-

New narrow state with stronger photo-coupling to the neutron ?

-

Interference effect of resonances ?- …

→ polarisation

observables needed !

→ running beam time

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Daniel Elsner 36

linearly

and circularly

pol. photon

beams

available

at ELSA →

degree

of polarisation: Plin

max

= 50 –

60 %, Pcircmax

= 65%

first

round

of double polarisation

experiments

with

Crystal Barrel at ELSA

with

longitudinally

and transversally

polarised

target

→ high quality data for double polarisation

observables

→ preliminary

results

for

the

double polarisation

observables:Σ,G, E and T,P,H

→ different final states

essential for model independent PWA (complete experiment)

Summary

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Daniel Elsner 37

Crystal Barrel talksVahe

Sokhoyan

(Bonn) –

HK 4.2:Meas. of polarization

observables

Is

und Ic

in the

reaction

γ

p ‐> p π0 π0 with

the

CBELSA/TAPS experiment

Jan Hartmann (Bonn) –

HK 4.3:Messung von Polarisationsobservablen

in der Meson‐Photoproduktion mit linear polarisiertem Strahl und transversal polarisierten Target

Annika Thiel (Bonn) –

HK 4.4:Messung der Doppelpolarisationsobservablen

G in π0 ‐ und η‐Photoproduktion

Manuela Gottschall (Bonn) –

HK 4.5:Bestimmung der Doppelpolarisationsobservablen

E für die Reaktion γ

p ‐> p π0

Thomas Jude (Bonn) –

HK 4.7:Meas. of the

beam‐target

double polarization

observable, E for

γ(pK0)Σ+ with

the

CBELSA/TAPS experiment

Mariana Nanova

(Giessen) –

HK 11.8:In‐Medium Properties

of the

η’‐Meson

Holger Eberhardt (Bonn) –

HK 17.6:Messung von Polarisationsobservablen

in der ω

Photoproduktion

Frieda Dietz (Giessen) –

HK 17.7 :ω‐Photoproduction

off Protons and Neutrons with

CBELSA/TAPS

Martin Urban (Bonn) –

HK 39.2 :Kompensation der Temperaturabhängigkeit von APDs

für eine neue Auslese des CB‐Kalorimeters

Karoly Makonyi

and Stefan Friedrich (Giessen) –

HK 43.4

:Search

for

ω‐mesic

nuclei

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Daniel Elsner 38

Chiang & Tabakin, PRC55 (97) 2054

λ=

±1 ±½ ±½

0

4 x 2

parity conservation4

complex amplitudes

Complete

experiment

BACKUP

γ

+ p →

p

+ η

≥7

independent quantitiesno discrete ambiguities:

8

well chosen observablesd2σ/dΩ, Σ, T, P, G, F, Tx, Lz.

Page 39: Baryonspektroskopie mit polarisierten …...Daniel Elsner 1 Baryonspektroskopie mit polarisierten Photonenstrahlen – aktuelle Ergebnisse der Experimente an ELSA Daniel Elsner Physikalisches

Daniel Elsner 39

circularly

polarised

photons

Solenoid DipolElsa

Exp

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Daniel Elsner 40

Circularly

polarised

photons Møller

polarimetry, formalism

dσcm

ij cm·[1+ a (θ ) P · P ]dΩ =cm

dσdΩ

0 B Ti j

asymmetry

coefficientsaij

θ

A = N - NN Nzz

+

counting

rate asymmetry

beam

polarisation

P = Azz

P aTzz•

B

counting

rate asymmetry

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Daniel Elsner 41

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Daniel Elsner 42

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Daniel Elsner 43

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Daniel Elsner 44

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Daniel Elsner 45

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Daniel Elsner 46

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Daniel Elsner 47

Bonn frozen

spin

target

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Daniel Elsner 48

Helicity dependent

total cross section γ

+ p → X

circularly

polarized

photonslongitudinally

polarized

proton

MAMI data: J. Ahrens et al., Phys. Tev. Lett. 87 (2001) 022003ELSA data: H. Dutz

et al., Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 192001

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Daniel Elsner 49

η-photoproduction

(γp

→ pη) total cross section

V. Crede, O. Bartolomy

et al.PRL 94 (2005) 012004,EPJ A33 (2007) 133V. Crede, A. McVeigh

et al.,PRC submitted

2009CLASGRAAL

TAPS

γp

→ pγγ

γp

→ pπ0π0π0

π0

η

BoGa

PWA

S (1535), D (1520), S (1650), F (1680), P (1720), D (2080)

+ ... + -, -t-channel exchange

+

11 13 11 15 13 13

new D15:m = 2068 ± 22MeV,

= 295 ± 40MeV

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Daniel Elsner 50

Extraction

of polarisation

observables

Σ

& G

= dσ0

[ 1-

Pγlin

( Σ

cos

-

G

PT,z

sin 2Φ) ]

• each

energy

& angular

bin →

fit modulation

of azimuth

angle

• each

single

event: photon

energy

→ photon

polarisation→ event-weighted

average

polarisation

(Pγ

lin)

first

online spectraγ

+ p → p + π0

Φlinpol

= Φlinpol

=π0 π0

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Daniel Elsner 51

TargetasymmetryTargetasymmetry

in pin p

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Daniel Elsner 52

Recoil

Polarization

P and Observable

H

linearly

polarized

photon

beam

(angle of pol. plane: α

= 45°) •

transversely

polarized

target

(direction

of pol.: β

= 99°)

f = eff. dilution

factor

Jan Hartmann HK 4.3

Page 53: Baryonspektroskopie mit polarisierten …...Daniel Elsner 1 Baryonspektroskopie mit polarisierten Photonenstrahlen – aktuelle Ergebnisse der Experimente an ELSA Daniel Elsner Physikalisches

Daniel Elsner 53

Pol. obs. in double meson

production

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talk

(V. Sokhoyan) γ

+ p → p + π0

π0

• multi

meson

production

important

at higher

energies• access

to high excited

resonances

and their

decays

• η

acts

as isospin

filter

But

for

complete

experiment

in pseudoscalar

meson

prod.15/64 observables

needed

(1-

meson

8/16)

example: γ

+ p → p + π0

η E. Gutz

et al. Phys. Lett. B

687 (2010) 11

3 body

kinematic

→ 2nd decay

plane

if

angle Φ* is

integrated

out → Is

vanishes, Ic

= Σ