Measurements for the GDH sum rule on the proton and the neutron

Abstract

This thesis discusses the measurements of helicity dependent total photoabsorption cross sections on the proton and the neutron. These measurements serve as a test of the fundamental Gerasimov-Drell-Hearn sum rule. The present work describes the experimental setup and the data analysis for the measurement at the electron accelerator ELSA in Bonn. Circularly polarized tagged photons are generated by bremsstrahlung of longitudinally polarized electrons. Longitudinally polarized nucleons are provided by a frozen spin target. Due to the horizontal arrangement of the target cryostat the high efficient detector system covers 99.6 % of 4 pi. The analysis method and the detector system is tested by the measurement of unpolarized total photoabsorption cross sections on carbon and beryllium. The results are in agreement with published data and the statistical precision is of unattained quality. Helicity dependent total photoabsorption cross section data on the proton are in agreement with data from MAMI in the energy overlap region. The contribution to the GDH integral is (45.8 +- 2.6 +- 2.3) microbarn in the energy range from 680 MeV to 2.9 GeV, or (27.3 +- 2.1 +- 1.4) microbarn from 800 MeV to 2.9 GeV, respectively. Adding the present results to the results from MAMI and including theoretical predictions for the uncovered energy regions, leads to a value which is compatible with the GDH sum rule value. Doubly polarized photoabsorption cross sections on the neutron have been measured for the first time between 815 MeV and 1825 MeV using a polarized 6LiD target. The results exhibit a strong resonance behaviour in the third resonance region in contradiction to predictions by multipole analyses. The contribution to the GDH integral on the neutron is (36.8 +- 5.6 +- 4.0) microbarn. Due to this contribution also no violation of the GDH sum rule for the neutron can be observed, if theoretical predictions are included for the uncovered energy regions.

Die Vermessung helizitätsabhängiger totaler Photoabsorptionswirkungsquerschnitte am Proton und Neutron ist Gegenstand der vorliegenden Dissertation. Diese Messung ist Grundlage für die direkte experimentelle Überprüfung der fundamentalen Gerasimov-Drell-Hearn Summenregel. In dieser Arbeit wird der experimentelle Aufbau und die Analyse der Daten von dem, am Elektronenbeschleuniger ELSA in Bonn durgeführten Experiment, beschrieben. Zirkular polarisierte Photonen werden durch Bremsstrahlung von longitudinal polarisierten Elektronen erzeugt. Die Energiemarkierung der Photonen erfolgt durch ein sogenanntes tagging system. Ein frozen spin Targetsystem stellt longitudinal polarisierte Nukleonen zur Verfügung. Durch die horizontale Anordnung ist ein Raumwinkel von 99.6 % von 4 Pi durch hocheffiziente Detektormodule abgedeckt. Zum Test des Detektorsystems und der verwendeten Analysemethode wurden unpolarisierte totale Photoabsorptionswirkungsquerschnitte an Kohlenstoff und Beryllium vermessen. Die Ergebnisse sind im Einklang mit bereits veröffentlichten Resultaten und besitzen eine bislang unerreichte statistische Präzission. Die helizitätsabhängigen totalen Photoabsorptionsquerschnitte am Proton stimmen im Überlappbereich mit vorangegangenen Messungen an MAMI in Mainz überein. Der Beitrag zum GDH Integral beträgt (45.8 +- 2.6 +- 2.3) mikrobarn im Energiebereich zwischen 680 MeV und 2.9 GeV, bzw. (27.3 +- 2.1 +- 1.4) mikrobarn zwischen 800 MeV und 2.9 GeV. Addiert man zu den vorliegenden Resultaten die Beiträge aus dem Experiment an MAMI und nimmt man theoretische Vorhersagen aus den nicht vermessenen Energiebereichen hinzu, kann keine Verletzung der GDH Summenregel festgestellt werden. Am Neutron wurden erstmals doppelt polarisierte Photoabsorptionsquerschnitte im Energiebereich zwischen 815 MeV und 1825 MeV vermessen. Dabei wurde ein polarisiertes 6LiD Target verwendet. Die Resultate zeigen einen starken Beitrag im Energiebereich der 3. Resonzregion, was im Widerspruch zu Vorhersagen aus Multipolanalysen steht. Der experimentelle Beitrag zum GDH Integral am Neutron beträgt (36.8 +- 5.6 +- 4.0) mikrobarn. Dieser Beitrag sorgt dafür, dass unter Hinzunahme von theoretischen Vorhersagen in den nicht vermessenen Energiebereichen, ebenfalls am Neutron keine Verletzung der GDH Summenregel beobachtet wird.