Measurement of $\pi^0\pi^{\pm}$ Photoproduction off the Deuteron with the A2 Experiment

The total cross section of the photoabsorption spectrum of the nucleon is known to have a second and third resonance peak. There is evidence that the second resonance peak has a strong contribution from sequential decays of the $D_{13}(1520)$ resonance over an intermediate $\pi\Delta$ state, but also contributions from the production of $\rho$ mesons, either in the decay of this resonance or via diffractive reaction processes involving charged $\rho$ mesons. The present work studies in detail the different reaction mechanisms for the photoproduction of $\pi^0\pi^{\pm}$ pairs off nucleons bound in the deuteron, where such reaction processes should most significantly contribute. To this end, beamtime data obtained from the A2 experiment at MAMI (University Mainz) is analysed. The mixed charged channels of double pion photoproduction are studied and evaluated using Monte Carlo simulations of the intermediate $\Delta$ states as well as the charged $\rho$ meson states. Invariant mass histogram fits are used to estimate the relative contributions to the experimental data. As the Crystal Ball/TAPS detector setup is optimized for photon detection, the energy information of charged pions and recoil protons becomes unreliable past the second resonance peak. Due to the unknown spectator Fermi momentum, a full reconstruction of the kinematics is impossible. This work shows a new type of reconstruction that was developed to mitigate this problem. The key is to reconstruct the full kinematics based on the assumption of the minimum possible Fermi momentum. It was found to give a good estimate of the average invariant mass spectrum of the system for the studied channels.
Ultimately, the $\rho$ meson can be shown to have a significant contribution to the second resonance peak. The total cross section shows good agreement with a recent MAID model fit. Differential cross sections are also provided for the polar angle and invariant masses.
---
Es ist bekannt, dass der totale Wirkungsquerschnitt des Photoabsorptionsspektrums von Nukleonen eine zweite und dritte Resonanzspitze aufweist. Nachweislich gibt es zur zweiten Resonanzspitze einen starken Beitrag von sequenziellen Zerfällen der $D_{13}(1520)$-Resonanz über einen $\pi\Delta$-Zwischenzustand, aber auch Beiträge von $\rho$-Mesonproduktion, entweder im Zerfall dieser Resonanz, oder durch diffraktive Reaktionsprozesse, an denen geladene $\rho$-Mesonen beteiligt sind. Diese Arbeit untersucht detailliert die verschiedenen Reaktionsmechanismen für die Photoproduktion von $\pi^0\pi^{\pm}$-Paaren an im Deuteron gebundenen Nukleonen, wo solche Reaktionsabläufe die signifikantesten Beiträge liefern sollten. Mit diesem Ziel wird die Analyse von Strahlzeit-Daten aus dem A2-Experiment am MAMI (Universität Mainz) gezeigt. Die gemischt geladenen Kanäle der Doppelpion-Photoproduktion werden untersucht und mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen der $\Delta$-Zwischenzustände sowie der geladenen $\rho$-Meson-Zwischenzustände ausgewertet. Histogrammfits der invarianten Massen werden verwendet, um ihre relativen Beiträge zu den experimentellen Daten zu ermitteln. Da die Crystal Ball/TAPS-Detektoranlage zur Messung von Photonen optimiert ist, wird die gemessene Energieinformation von geladenen Pionen und den Rückstoß-Protonen bei Energien über der zweiten Resonanzspitze unzuverlässig. Durch den ebenfalls unbekannten Fermi-Impuls des Spectator-Nukleons ist eine vollständige Rekonstruktion der Kinematik unmöglich. Diese Arbeit zeigt eine neue Art der Rekonstruktion, die entwickelt wurde, um dieses Problem zu entschärfen. Basierend auf der Annahme des minimal möglichen Fermi-Impulses im System kann die Kinematik rekonstruiert werden. Diese Methode führt zu einer guten Abschätzung des durchschnittlichen Spektrums der invarianten Masse des Systems für die untersuchten Kanäle.
Das Resultat der Untersuchungen zeigt einen signifikanten Beitrag des $\rho$-Mesons zur zweiten Resonanzspitze. Der totale Wirkungsquerschnitt stimmt gut mit dem aktuellen MAID-Modellfit überein. Außerdem sind die differenziellen Wirkungsquerschnitte nach dem Polarwinkel und den invarianten Massen ermittelt worden.