Der WASA Detektor ist ein vielseitiges Nachweisgerät, das speziell zur Untersuchung der Produktion von Mesonen und ihrer Zerfällen entworfen wurde. Beheimatet am CELSIUS Protonensynchrotron bietet es eine fast vollständige Abdeckung des Raumwinkels im Laborsystem und eine Ratenfestigkeit für Luminositäten von bis zu 1032 cm-2s-1. Um so hohe Reaktionsraten erreichen zu können, wurde ein einzigartiger Generator für gefrorene Wasserstoffkügelchen entwickelt, deren Protonen als Stosspartner für den zirkulierenden CELSIUS–Strahl dienen.
Die vorliegenden Arbeit wurde in der Phase der Inbetriebnahme des WASA Detektors begonnen. In ihr wird die Analyse zweier unabhängiger Datensätze vorgestellt. Der erste wurde in einer Messung im November 2001 aufgenommen. Das Ziel dieser Messung war die Fortsetzung des Programms aus dem vorhergehenden Experiment am IUCF in Bloomington (Indiana) und des PROMICE/WASA Experiments.
Beide Experimente haben sich mit der genauen Vermessung der schwellennahen Pionenproduktion im Deuteron–Proton–System gemäß pd -> pdπ0 beschäftigt. Die experimentell gewonnenen Verteilungen wurden mit dem Spectator Model verglichen, einem phänomenologischen Modell, das die Pionenproduktion als einen quasifreien Prozess beschreibt, dem die Nukleon–Nukleon–Reaktion pn -> dπ0 zugrunde liegt. Es stellte sich heraus, dass dieses Modell allein nicht in der Lage ist die differentiellen Verteilungen zu beschreiben, es mussten kohärente Mechanismen, in denen alle drei Nukleonen an der Wechselwirkung beteiligt sind, in die Modellbeschreibung hinzugenommen werden. Ähnlich sahen die Ergebnisse für den Bremsstrahlungsprozess dp -> dpγ aus.
Die hier vorgestellten Messungen zielten auf eine Verbesserung der Datenlage für die Reaktion dp -> dpπ0 und dp -> dpγ durch eine höhere Detektorakzeptanz ab, um die vorherigen Ergebnisse abzusichern bzw. nachzuprüfen. Tatsächlich bestätigt sich die Zusammensetzungen der Modellbeschreibungen mit der gegenüber dem Vorexperiment abgewandelten Akzeptanzverteilung über den Phasenraum. Allerdings erlaubt die niedrigere Statistik der vorliegenden Messungen keine Verbesserung der früheren quantitativen Aussagen. Ursache waren die niedrige Lebensdauer des Deuteronenstrahles der Energie Td = 560 MeV sowie ein hoher Untergrund durch einen aufgeweiteten Strahl, beides eine Folge der Wechselwirkung des Deuteronenstrahles mit dem Wasserstofftarget. Zusätzlich fehlte eine simultan gemessene, gut bekannte Referenzreaktion zur Kalibration, Luminositätsbestimmung und zur Minimierung der systematischen Fehler.
Zum besseren Verständnis des WASA Detektors wird ein zweiter Satz von Daten analysiert, die in dem Zeitraum vom Dezember 2002 bis zum Dezember 2003 aufgenommen wurden. Um die experimentellen Schwierigkeiten der vorangegangenen Analyse zu vermeiden, werden Daten vorgestellt, die mit einem Protonenstrahl der Energie Tp = 1.36 GeV gemessen wurden. Die sowohl aus diesen Daten selektierten als auch mit Monte Carlo Methoden simulierten Ereignisse der elastischen Proton–Proton–Streuung werden verwendet, um die Position der Strahl–Target–Wechselwirkung (Vertexposition) und die Luminosität zu bestimmen. Die Vertexposition weicht im Rahmen der Fehler in allen drei Raumrichtungen von der nominellen Position etwas zu kleineren Werten ab. Die Luminosität lässt sich mit einem systematischen Fehler kleiner als 5% bestimmen und steigt im untersuchten Zeitraum um etwa einen Faktor sieben auf 6 · 1030 cm-2s-1 im Dezember 2003.
The WASA detector is a multi–purpose detection system designed to investigate the production of mesons and their decays at the CELSIUS hadron storage ring. Together with a unique target system that provides small frozen hydrogen or deuterium spheres, it is optimized to measure all final state particles in hadron–hadron collisions due to its near to 4π solid angle coverage in the laboratory system and to cope with high luminosities up to 1032 cm-2s-1.
In this work, the analysis of data taken during the commissioning phase of the CELSIUS/WASA experiment is described. Experimental data taken in November, 2001 and in the time period from December, 2002 till December, 2003 are analyzed. The analysis of the former data set focuses on the continuation of the physics program from the preceding experiments at the IUCF in Bloomington, Indiana and the PROMICE/WASA experiment.
In both works, precise measurements of the reaction pd -> pdπ0 in the near threshold region were carried out. The data were compared to predictions from the Spectator Model that describes the pion production in the dp system by a quasifree process involving the nucleon–nucleon reaction pn ->dπ0. It turned out that this phenomenological Model alone failed to describe the experimental distribution over the whole energy range measured and that so–called coherent mechanisms involving all three nucleons had to be added to the model description. Similar result were obtained for the bremsstrahlung process.
The measurement discussed here has been intended to put the previous results on firmer ground, since the detector acceptance has not only increased but is sensitive to phase space regions not accessible in the previous experiment. Indeed, the previous results for the Spectator Model contribution are confirmed in this thesis for both reactions. However, limited statistics do not allow an improvement of the previous quantitative conclusions. Apparently, the deuteron beam with an energy of Td = 560 MeV suffered from the beam–target–interaction with the hydrogen pellets, resulting in a rather low deuteron beam life time and large beam heating which caused high background conditions. Furthermore, a simultaneously measured, well–known reaction has not been available for calibration purposes, luminosity determination and estimation of systematic errors.
To address the open questions about the actual performance of the WASA detector, the examination of the second data set is presented. To circumvent the intricatenesses involved with a low energy deuteron beam, data with a high energy proton beam of Tp = 1.36 GeV are chosen. The generation and selection of the elastic proton–proton scattering is discussed in detail. The gained data samples are then used to check the eciency and acceptance of the WASA detector and to diagnose the beam and target performance by determining the vertex position and the luminosity. The calculated vertex position shows a small shift in all three coordinates which is not in agreement with the nominal vertex position within the given errors. The luminosity is determined with a systematical error of less then 5%. In the time period investigated, it increased about a factor of seven, reaching 6 · 1030 cm-2s-1 in December, 2003.