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Die Untersuchung von transversalimpulsabhängigen Quarkverteilungsfunktionen am HERMES-Experiment
No full textThe analysis of transverse-momentum dependent quark distribution functions (TMD), which are related to spin-orbit correlations of the quarks within the nucleon, is an active field of research. On the experimental side, information about TMD is provided in semi-inclusive measurements of deep-inelastic scattering. In this process, transverse-momentum dependent effects cause distinctive signatures for TMD in the azimuthal distribution of the hadrons produced. In this thesis, a Fourier analysis of azimuthal single-spin asymmetries is presented. The single-spin asymmetries (SSA) are studied in a semi-inclusive measurement of deep-inelastic scattering of longitudinally polarised positrons and electrons off a transversely polarised proton target. The lepton beam can be considered as unpolarised as the data recorded is balanced with respect to the beam helicity states. The extracted Fourier components, denoted as SSA amplitudes, can be interpreted as convolution in transverse momentum space of transverse-momentum dependent distribution and fragmentation functions. In the Fourier decomposition, three SSA amplitudes provide leading-twist signals for the naive time reversal odd Sivers functions and the chiral-odd transversity and pretzelosity distributions. Two other SSA amplitudes are related to subleading-twist contributions. A subtlety in the analysis allows for the study of the worm-gear distributions: As the HERMES target was transversely polarised with respect to the beam direction, a small longitudinal target spin component arises with respect to the virtual-photon direction. The associated SSA amplitude provides sensitivity to one worm-gear distribution. The other worm-gear distribution is studied in a Fourier analysis of double-spin asymmetries, which can be reconstructed when taken the longitudinal polarisation of the HERA lepton beam into account.Intention der vorliegenden Dissertation war die Untersuchung von transversalimpulsabhängigen Quarkverteilungsfunktionen. Im Fokus stand die innerhalb des HERMES-Experiments durchgeführte Fourieranalyse azimutaler Einzel-Spin-Asymmetrien von Pionen und geladenen Kaonen. Diese Asymmetrien wurden aus tiefinelastischen Streuereignissen an einem transversal polarisierten Protonen-Target rekonstruiert und in Fourierkomponenten zerlegt. Im Rahmen der Quantenchromodynamik können derartige Komponenten als Faltung von Quarkverteilungs- und Fragmentationsfunktionen interpretiert werden. Durch die Analyse der vom Transversalimpuls abhängigen Quarkverteilungsfunktionen wurde die Untersuchung von Spin-Bahn-Korrelationen im Inneren des Nukleons ermöglicht. Somit können Rückschlüsse auf den Bahndrehimpuls der Quarks gezogen werden. Die extrahierten Fourierkomponenten erweitern die bisher verfügbaren Informationen über vom Transversalimpuls abhängige Quarkverteilungsfunktionen beachtlich. Die vorgestellte Fourieranalyse ermöglichte nicht nur einen Nachweis der Collins- und Siverseffekte, sondern darüber hinaus die Extraktion von Signalen der Pretzelosity- und Wormgear-Verteilungen. Die so erlangten Ergebnisse werden maßgeblich zum Verständnis zukünftiger Messungen auf diesem Gebiet beitragen und weiterführend eine Überprüfung fundamentaler Vorhersagen der Quantenchromodynamik ermöglichen
Kalibration von Siliziumdetektoren für den HERMES Rückstoßdetektor
No full textGeneralized parton distributions (GPDs) are a novel way to describe the structure of the nucleon. They unite traditional form factors and parton distributions to become a multi-dimensional view of the nucleon structure and allow the extraction of, for example, the contribution of the quark's angular momentum to the nucleon's spin via Ji's sum rule. Generalized parton distributions can be measured by analyzing asymmetries in the cross section of exclusive processes of which deep-virtual Compton scattering is the simplest one. The HERMES experiment is able to measure these asymmetries ensuring the exclusivity of the event-sample via cuts on the invariant missing mass of the undetected recoil-particle. Using this method, beam-charge-, beam-spin- and transversal target-spin asymmetries have been extracted successfully. Measurement of the deep-virtual Compton-scattering process can be improved significantly by detecting the recoil particle directly. This was made possible by the installation of the Recoil Detector into HERMES in the year 2005. This detector consists of three subdetectors: A photon detector, a multi-layered scintillating fibre tracker and the silicon detector which is operated directly in the scattering chamber in the ultra-high vacuum of the accelerator. Momentum reconstruction is made possible through the magnetic field of 1T that is provided by a superconducting solenoid. The silicon-counter which was calibrated in the course of this work consists of 8 modules that surround the lepton beam in a double-layered rhombus shape. One module consists of two microstrip sensors with 128 readout strips per side. This results in a total of 4096 strips for the whole detector that are read out simultaneously with high- and low amplification. The calibration was carried out at the Tandem Accelerator that is operated by the Physics Institute of the University of Erlangen. The energy loss and the detector response of the silicon detectors have been analyzed at various proton energies. By comparing detector response with simulations several detector parameters were determined with high precision. The relative error of the energy calibration has been estimated to <1%. Since the installation of the Recoil Detector in 2005 and until the last fill of HERA in June 2007, the Recoil Detector has recorded around ~million deep-inelastic scattering events. Analysis of this data has been ongoing until publication of this thesis but first technical analyses demonstrate that the detector is able to reconstruct particle tracks and momenta as planned. Furthermore the increased statistics of the data taken alone can significantly reduce the statistical errors in the measured asymmeteries of the deep-virtual Compton scattering process.Die Generalisierten Partonverteilungen stellen eine neuartige Beschreibung der Struktur des Nukleons dar. Sie vereinigen die traditionellen Formfaktoren und Quarkverteilungen zu einer zweidimensionalen Beschreibung und erlauben, z.B. durch Jis Summenregel, einen Zugriff auf einen weiteren Teil der Beiträge zum Nukleonspin, den Bahndrehimpuls der Quarks. Die Generalisierten Partonverteilungen können mittels exklusiver Prozesse gemessen werden, die Tiefvirtuelle Comptonstreuung stellt hierbei den einfachsten exklusiven Prozess dar. Asymmetrien im Wirkungsquerschnitt der Tiefvirtuellen Comptonstreuung können analytisch auf die Generalisierten Partonverteilungen zurückgeführt werden. Das HERMES-Experiment kann diese Asymmetrien messen, indem die Exklusivität der Ereignisse durch Schnitte auf die invariante Masse eines nicht beobachteten Rückstoßteilchens sichergestellt wird. Auf diese Art wurden bereits die Strahlladungs-, die Strahlspin- sowie die transversale Targetspinasymmetrie erfolgreich extrahiert. Eine deutliche Verbesserung in der Messung der tiefvirtuellen Comptonstreuung stellt der direkte Nachweis des Rückstoßteilchens dar. Dies ermöglicht der Rückstoßdetektor, um welchen HERMES im Jahr 2005 erweitert wurde. Dieser Detektor besteht aus drei Subdetektoren: einem Photonenzähler, einem Ring aus szintillierenden Fasern sowie dem direkt im Beschleunigervakuum betriebenen Siliziumdetektor, welcher die Zelle zur Speicherung des Targetgases umgibt. Eine Impulsrekonstruktion ermöglicht das supraleitende Solenoid mit einer Feldstärke von 1T welches den Detektor einschließt. Der Siliziumzähler, dessen Kalibration den zentralen Teil dieser Arbeit bildet, besteht aus 8 Modulen, welche den Elektronenstrahl des HERA-Beschleunigers rautenförmig in zwei Lagen umgeben. Ein Modul fasst zwei Mikrostreifenzähler mit jeweils 128 Streifen pro Seite, die resultierenden 4096 einzelnen Detektorstreifen werden jeweils mit hoher und niedriger Verstärkung ausgelesen. Die Kalibration dieser Siliziumzähler wurde am Tandem-Beschleuniger des Physikalischen Instituts der Universität Erlangen durchgeführt. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit entsprechende Messaufbauten erstellt und damit der Energieverlust sowie die Detektorantwort der Siliziumzähler bei verschiedenen Protonenenergien gemessen. Durch Vergleich mit entsprechenden Simulationen konnten verschiedene Detektorparameter präzise ermittelt werden. Der relative Fehler der Kalibration der Detektormodule wurde auf <1% abgeschätzt. Seit dem Einbau des Rückstoßdetektors zum Jahreswechsel 2005/2006 und bis zur Abschaltung des HERA-Beschleunigers im Juni 2007 hat das HERMES-Experiment ca. 58~Millionen tiefinelastische Streuereignisse aufgezeichnet. Die Auswertung der Daten war zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit noch nicht abgeschlossen. Erste technische Analysen zeigen jedoch die Funktionsfähigkeit der Impulsrekonstruktion aus den Daten des Rückstoßdetektors. Darüberhinaus ist alleine durch die höhere Statistik der mit dem Rückstoßdetektor genommenen Daten ein signifikant geringerer Fehler bei der Ermittlung der Asymmetrien in der tiefvirtuellen Comptonstreuung festzustellen
Tiefinelastische virtuelle Compton-Streuung vom unpolarisierten Wasserstoff-Target am HERMES-Experiment
No full textIn deeply virtual Compton scattering a virtual photon mediates the scattering between an incoming lepton and a quark that has been taken out of the nucleon. The quark emits a real photon and joins the nucleon while possibly exciting it to a resonant state. The description of this process within the framework of Generalized Parton Distributions gives access to the total angular momentum of quarks inside the nucleon. This information will provide valuable insight into the spin decomposition of the nucleon. In the present work data has been analyzed that was taken at the HERMES experiment at the HERA storage ring at DESY in Hamburg between the years 1996-2005. At HERMES polarized lepton beams were scattered off a polarizable internal gas target. In this thesis the data taken with a hydrogen target have been studied. The data sets with different target polarization states were combined into an effectively unpolarized sample. The deeply virtual Compton scattering process competes against the Bethe-Heitler process, in which the real photon is emitted by either the incoming or outgoing lepton. Experimentally those two processes are indistinguishable and thus interfere. Azimuthal dependencies in the distribution of the real photon around the direction of the virtual photon appearing in the interference term (and also the pure DVCS process amplitude) can be extracted by forming cross section asymmetries with respect to beam charge and/or beam polarization states. This was achieved by selecting the respective events, while ensuring different data quality criteria. Various systematic studies partially on Monte Carlo basis have been performed and the systematic errors have been estimated. The resulting asymmetry amplitudes have been compared to various model calculations. Neither of the existing model variants was capable of describing all extracted amplitudes. First steps were taken to fit a parameterization of the Generalized Parton Distributions to the asymmetry amplitudes. The restricted number of data points from the present analysis alone does not yet allow for a unique determination of the free parameters within the approach. This will need additional input from other experimental measurements. In the analyzed data sample the recoiling protons remained undetected. Thus it was impossible to distinguish between events, in which the target remnant was in its ground or a resonant state. Therefore a Recoil Detector has been installed in the year 2006 into the HERMES experiment. One of the three components of this detector was a silicon strip counter. The examinations of this detector before installation, as well as its commissioning and calibration were part of the present work. The data treatment and calibration are therefore discussed in detail.Als tiefinelastische virtuelle Compton-Streuung bezeichnet man den Prozess, in dem ein einlaufendes Lepton mittels eines virtuellen Photons mit einem Quark wechselwirkt, das hierbei ein reelles Photon emittiert. Das Nukleon kann dabei intakt bleiben oder in einen Resonanzzustand angeregt werden. Die Beschreibung dieses Prozesses mit Hilfe von sogenannten Generalisierten Parton-Verteilungsfunktionen erlaubt eine experimentelle Bestimmung des Gesamtdrehimpulses der Quarks innnerhalb eines polarisierten Nukleons. Diese Information wird das Verständnis der Zusammensetzung des Spins des Nukleons aus dessen Bestandteilen verbessern. In dieser Arbeit wurden Daten untersucht, die am HERMES-Experiment an der Speicherringanlage HERA in Hamburg am DESY in den Jahren 1996 bis 2005 genommen wurden. Bei HERMES werden polarisierte Leptonstrahlen an einem polarisierbaren Gastarget gestreut. In der vorliegenden Analyse wurde die Daten analysiert, die an einem Wasserstofftarget genommen wurden. Dabei wurden alle Ereignisse so kombiniert, dass es sich effektiv um einen unpolarisierten Datensatz handelte. Der Prozess der tiefinelastischen virtuellen Compton-Streuung konkuriert mit dem Bethe-Heitler Prozess, in dem das reelle Photon von dem ein- oder auslaufenden Lepton emittiert wird. Die experimentelle Ununterscheidbarkeit der beiden Prozesse führt zur Interferenz derer Amplituden. Diese Interferenz erzeugt azimutale Asymmetrien in der Verteilung der reellen Photonen um die Richtung des virtuellen Photons relativ zum Spin- und/oder Ladungszustand der Strahlleptonen. In der vorliegenden Arbeit wurde diese azimutalen Asymmetrien extrahiert. Dazu wurden zunächst die entsprechenden Ereignisse aus den am HERMES-Experiment genommenen Daten gefiltert und dann auf ihre Konsistenz untersucht. Verschiedene systematische Untersuchungen teils mit Hilfe von Monte Carlo Studien wurden durchgeführt und eine Abschätzung der systematischen Fehler vorgenommen. Die resultierenden Asymmetrien wurden mit verschiedenen Modellrechnungen verglichen. Keines der vorhandenen Modelle kann alle extrahierten Asymmetrien gleichzeitig beschreiben. Daher wurden erste Schritte unternommen, eine Parameterisierung der den Generalisierten Parton-Verteilungsfunktionen zu Grunde liegenden Compton Formfaktoren zu finden, die die erzielten Resultate beschreiben können. Der abgedeckte Phasenraum durch das HERMES-Experiment erlaubt es jedoch nicht, die freien Variablen einer solchen Parameterisierung alleine festzulegen. Dazu müssen weitere experimentelle Ergebnisse mit den hier Erzielten kombiniert werden. Im untersuchten Datensatz wurde das Proton im Endzustand nicht nachgewiesen. Daher war es nicht möglich, zwischen Ereignissen zu unterscheiden, in denen sich dieses Proton im Grundzustand oder einer Resonanz befand. Deshalb wurde das HERMES-Experiment im Jahr 2006 um den Rückstoß-Detektor erweitert. Dieser bestand u.a. aus einem Silizium-Streifen-Zähler. Die Untersuchungen vor der Installation dieses Detektors, sowie die Inbetriebnahme und Kalibration desselben waren Bestandteil dieser Arbeit. Die Datenaufbereitung und Kalibration des Detektors sind daher ausführlich beschrieben
Finale Ergebnisse der inklusiven und semi-inklusiven longitudinalen Doppel-Spin Asymmetrien bei HERMES. Extraktion der Quark-Helizitätsverteilungen des Nukleons in tief-unelastischer Streung.
No full textThe thesis focuses on two aspects of the HERMES data analysis: the measurement of the semi-inclusive double spin asymmetries and the extraction of quark helicity distributions and quark polarizations of the nucleon from deep-inelastic scattering, as a possible interpretation of the HERMES data. The asymmetries are presented using all possible and accessible information about the HERMES data, including the latest systematic studies provided during the last years by HERMES collaboration.Die Untersuchung der Struktur des Nukleons ist das Hauptziel des HERMES-Experiments. Daten aus tief-unelastischer Streuung unter Verwendung von longitudinal polarisierten Leptonen-Strahlen und longitudinal polarisierten leichten Wasserstoff- oder Deuterium-Quellen wurden verwendet, um die Doppel-Spin Asymmetrien im Wirkungsquerschnitt zu bestimmen. Für beide Quellen wurden inklusive und semi-inklusive Asymmetrien gemessen. Dabei wurden die individuellen Helizitätsverteilungen für up- und down-Quarks und anti-up, anti-down und strange See-Quarks bestimmt. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es, die statistischen und systematischen Unsicherheiten einer genauen Untersuchung zu unterwerfen, um zu einer realistischen Einschätzung dieser Unsicherheiten zu gelangen
Nuclear medium dependence of transverse Lambda polarization in quasi-real photoproduction
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HERMES - The early years
No full textThe early years of HERMES from the first ideas in 1987 until the start of data taking in May 1995 will be reviewed
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