Preparation for the accurate luminosity measurement by antiproton-proton elastic scattering and ...

238 Pages·2015·30 MB·English

Preparation for the accurate luminosity measurement by
antiproton-proton elastic scattering and feasibility study for
observation of hc hadronic decay modes at the PANDA experiment
Dissertation submitted
for the award of the title
"Doctor of Natural Sciences"
to the Faculty of Physics, Mathematics, and Computer Science
of Johannes Gutenberg University Mainz
in Mainz
Anastasia Karavdina
Born in Novokuznetsk, Russia
Mainz, date ......................
Abstract
The PANDA experiment is one of the key projects at the future FAIR facility, which
is currently under construction at GSI Darmstadt. Measurements will be performed
with antiprotons using a fixed-target setup. One of the pillars of the PANDA program
is hadron spectroscopy, in particular studies related to charmonium spectroscopy. The
highnumberofexpectedcollisionsallowsnewdiscoveriesandmoreaccuratemeasure-
mentsofthepropertiesofalreadyknownparticles. Theluminosityisameasureofhow
efficiently collision events are produced at particle accelerator facilities. Keeping track
of luminosity allows monitoring the performance of the accelerator and thus promptly
providesinformationforbeamparameteradjustmentstooptimizetheperformance. In
addition, precise luminosity data is crucial for absolute cross section measurements.
ForthePANDAexperimenttheluminositywillbeextractedbymonitoringthescat-
tered antiprotons from the pp¯ forward elastic scattering. The dedicated detector sys-
tem, the Luminosity Detector, is currently under construction. The main part of this
work describes in detail the developed reconstruction software and summarizes the
simulationstudies. Thesystematicuncertaintiesoftheluminositydeterminationcom-
ing from the extraction method are expected to be below 0.1%.
Thelargestuncertaintyiscomingfromthemodeldescriptionoftheelasticscatter-
ing. Depending on which experimental data is used, the systematic uncertainty even
of the most accurate model varies between 1–10%. The background is the second
strongest contribution to the systematic uncertainty. According to simulation studies,
the background contribution can be reduced down to the level of 1%.
In a pp¯ experiment the non-vector charmonium states can be directly produced.
Therefore,thefundamentalpropertiessuchasmassandwidthofthenon-vectorstates,
e.g. of the singlet state of P wave charmonium h (P ), could be measured more accu-
c 1
rately than it is currently done with e+e− colliders. The possible decay modes of the
h (P ) remain an open question. So far only few of them could have been observed.
c 1
This work explores the feasibility of the measurement of h (P ) hadronic decay modes
c 1
by PANDA. To select the signal events in large background environment, a model de-
pendent analysis is proposed. The expected signal efficiency is on the level of 40%.
The background can be suppressed by a factor 106.
ii
Zusammenfassung
Das PANDA-Experiment ist eine der Säulen der zukünftigen Beschleunigeranlage
FAIR, die an der GSI in Darmstadt entsteht. Für die Experimente werden Antiproto-
nen zum Einsatz kommen, die auf ein festes Target geführt werden. Der Schwerpunkt
des PANDA-Physikprogrammes liegt auf dem Studium der starken Wechselwirkung im
EnergiebereichdesCharm-Quarks,undhierimBereichderCharm-undCharmonium-
spektroskopie. DiezuerwartendeMengeanDatenvonPANDAermöglichtsowohlneue
Entdeckungen im Gebiet der Hadronphysik, als auch die Messung von Teilcheneigen-
schaften bereits bekannter Teilchen mit höherer Präzision als bisher.
Die Luminosität ist ein Maß für die Häufigkeit von Reaktionen an Teilchenbeschle-
unigeranlagen. Mit Hilfe der Messung der Luminosität können die Strahleigenschaften
desBeschleunigersüberwachtundgegebenenfallsunmittelbarangepasstwerden. Auß-
erdem ist die genaue Kenntnis der Luminosität für die Messung absoluter Wirkungs-
querschnitte notwendig.
DieLuminositätdesPANDA-ExperimentswirddurchdieMessungelastischgestreuter
Antiprotonen unter Vorwärtswinkeln ermittelt. Das zugehörige Detektorsystem, der
Luminositätsdetektor,befindetsichimBau. ImRahmendieserArbeitwurdedieRekon-
struktionssoftware entwickelt und anhand ausführlicher Simulationsstudien getestet
und charakterisiert. Es wird gezeigt, dass für die Extraktionsmethode eine systematis-
che Unsicherheit besser als 0.1% erreicht werden konnte.
Die größte systematische Unsicherheit kommt von der nur sehr ungenauen Kennt-
nisdeshadronischenAnteilsdeselastischenAntiproton-Proton-Streuung. Jenachdem
welche Daten welchem Modell zugrundegelegt werden, variiert dieser Wert sehr stark.
ImbestenFallkonntenabhängigvonderbetrachtetenSchwerpunktsenergieWertevon
1–10%erreichtwerden. DenzweitgrößtenBeitragliefernUntergrundreaktionen. Stu-
dien zeigen, dass diese auf ein Level von 1% reduziert werden können.
In pp¯-Experimenten können neben Vektor-Zuständen vor allem auch Charmoni-
umzuständemitanderenQuantenzahlendirekterzeugtwerden. DiesbietetdieMöglich-
keit, die Eigenschaften des Charmonium-Singulett-Zustandes h (P ) wie die Linien-
c 1
form in einem Energie-Scan-Experiment direkt zu untersuchen und genauer zu bes-
timmen,alsdasbisherine+e−-Experimentenmöglichwar. DiemeistenZerfallskanäle
dieses Zustandes sind bisher noch unbeobachtet; deshalb wurde für die vorliegende
Arbeit eine Machbarkeitsstudie für die Messung hadronischer Zerfälle des h (P ) mit
c 1
dem PANDA-Experiment gewählt. Es zeigt sich, dass mit Hilfe eines modellabhängi-
genAnsatzesfürdieAnalysederDateneineRekontruktionseffizienzvom40%erreicht
werdenkonnte,währendUntergrundreaktionenmiteinemFaktor106unterdrücktwer-
den.
iii
Table of Contents
Chapter 1 Introduction 1
1.1 Basic Forces in Nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Elementary Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Hadron Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Chapter 2 The PANDA experiment of FAIR 7
2.1 The PANDA physics program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Hadron spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Hadron structure experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Facility for Antiproton and Ion Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 High-Energy Storage Ring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 The targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Luminosity profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.6 PANDA detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.1 Detector requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6.2 Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.6.3 Tracking system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6.4 Electromagnetic Calorimeter (EMC) . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.6.5 Particle Identification (PID) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.6 Luminosity Detector (LMD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Chapter 3 The Luminosity Measurement 32
3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.1 Cross section measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.2 Precision measurements of resonance parameters . . . . . . . . . 33
3.2 Alternative methods forluminosity determination at fixed-target exper-
iments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1 COSY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 E760/E835 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 The luminosity determination at PANDA . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.1 Elastic pp¯ scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.2 Models and their uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.2.1 Dual Parton Model (DPM) model . . . . . . . . . . . . . 41
3.3.2.2 E760 model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2.3 Comparison of the models with the data from previous
elastic pp¯ scattering experiments . . . . . . . . . . . . . 48
iv
3.3.2.4 KOALA experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.2.5 Model uncertainty caused by the momentum uncertainty 52
3.4 The Luminosity Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Chapter 4 Extraction of the luminosity 59
4.1 PandaRoot framework layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2 Hit reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3 Track search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.1 Track Following . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.2 Cellular Automaton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.3 Comparison of performance for track search algorithms . . . . . 67
4.4 Track fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.1 Straight line fit with weighted hits . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.4.2 Track fit with broken lines approach . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.3 Results and comparison of track fit approaches . . . . . . . . . . 77
4.5 Track filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5.1 Filtering of split tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.5.2 Filtering of background tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.6 Back propagation to the Interaction Point . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.6.1 Assumption about the momentum of the antiproton . . . . . . . 85
4.6.2 Propagation of track parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.6.3 Tests of forward and backward propagation with GEANE . . . . . 94
4.7 Reconstruction of the Interaction Point . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.8 Computing time for the track reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.9 Luminosity extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Chapter 5 Modules alignment 105
5.1 Influence of misaligned modules on the track reconstruction accuracy . 106
5.2 Iterative and Non-Iterative Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.3 Introduction to Millepede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.4 Residuals and Global Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4.1 Position of hits in the frame of one LMD sector . . . . . . . . . . 113
5.4.2 Constraining the internal alignment within Millepede . . . . . . . 116
5.5 Simulation test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.6 Limits for translation and rotation misalignment for high energy tracks . 119
5.7 Limits for translation and rotation misalignment for low energy tracks . 120
Chapter 6 Background studies for the luminosity measurement 123
6.1 Simplified simulation studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.1.1 Parameterization of the magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.1.2 Forward extrapolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.1.3 Simulated data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.4 Check for consistency: forward - backward extrapolation . . . . . 127
6.1.5 Tracks selection and suppression by cuts . . . . . . . . . . . . . . 128
6.1.6 Backward extrapolation with «wrong» momentum . . . . . . . . 129
6.2 Background studies with the DPM generator . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.1 DPM validation on available data . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.2.2 Simulation description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.2.3 Antiprotons from elastic scattering as a background source . . . . 139
6.2.4 Background distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.2.5 Background reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
v
Chapter 7 Simulation studies pp¯→hc → 5π 158
7.1 Charmonium as a framework for QCD tests . . . . . . . . . . . . . . . . 158
7.2 Potential models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
7.3 Current status of h (11P ) meson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
c 1
7.3.1 Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.3.2 Width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.4 Construction of the analysis model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.5 Generation of datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.6 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
7.7 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Chapter 8 Summary 181
Appendix A Access to elementary particles in experiments 186
Appendix B Overview of antiproton-proton experiments in the past 189
B.1 Bubble chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
B.2 CERN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
B.3 Brookhaven National Laboratory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
B.4 Fermilab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
B.5 Proton antiproton elastic scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Appendix C Extraction of the model parameters for p¯p differential elastic
cross section by the LMD 197
C.1 Results for P =1.5GeV/c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
beam
C.2 Results for P 15 GeV/c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
beam
C.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Appendix D Track extrapolation in a non-homogeneous magnetic field 201
Appendix E Propagation of the covariance matrix of track parameters in a
magnetic field 205
Appendix F Fritiof model (FTF) versus DPM as a background model for the
LMD 211
F.1 DPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
F.1.1 Dual Models and relativistic quantum strings . . . . . . . . . . . 211
F.1.2 Comment on comparison between DPM and the experimental data 215
F.2 FTF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
F.3 Simulation description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
F.4 Generator (true) level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
F.5 Reconstructed tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
F.6 Estimation of background with FTF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Bibliography 221
vi
vii
DedicatedtotheHIMster
The system which taught me how to be patient, but persistent
calm, but exact
and respect people, but remember my goals
viii
ix
1
Chapter
Introduction
1.1 Basic Forces in Nature
Macroscopic scale
In everyday life we experience two fundamental forces. The gravitational force that
for instance keeps us on earth and binds the solar system together, and the electro-
magneticforcebetweenelectricallychargedobjects,whichforinstanceholdselectrons
and protons together inside atoms. Both forces are mediated over a distance inversely
proportional to the square of the distance between the objects. With the advent of
quantum mechanics in the first decades of the 20th century, it was realized that the
electromagneticfield,includinglight,isquantizedandcanbeseenasastreamofpar-
ticles(photons). Inthispicture, theelectromagneticforcecanbethoughtofasaforce
mediated from one object to another by photons. In a similar way the gravitational
force is believed to be transmitted by particles called gravitons. However the gravita-
tional force is weaker than the electromagnetic force by 40 orders of magnitude. Thus
the gravitons have not yet been detected so far [1].
Microscopic scale
The electromagnetic force binds electrons to the nucleus, because the nucleus and
the electrons carry electric charges. The nucleus itself is composed from protons and
neutrons. E. Wigner [2] showed that there must be two distinct nuclear forces at play
within the nucleus. There are a weak force that is responsible for the radioactive β-
decay and a strong one that binds the protons and the neutrons together. Both of
them act only over a very short range, of the size of the nucleus, hence they have no
macroscopic analogue.
Since the middle of 20th century scientists have been trying to understand those
microscopic forces with both theoretical as well as experimental approaches. This is