Simulation of electromagnetic channels for PANDA@FAIR

par Binsong Ma

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Béatrice Ramstein.

  • Titre traduit

    Simulation de canaux électromagnétiques pour PANDA@FAIR


  • Résumé

    Le multi-détecteur PANDA (antiProton ANnihilation at DArmstadt) équipera l’anneau de stockage d’antiprotons du complexe d’accélérateurs FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), en construction à Darmstadt et dont les premiers faisceaux sont prévus en 2019. L’expérience cible fixe PANDA est un outil du futur pour la physique hadronique. Avec PANDA, on peut étudier par exemple la spectroscopie des mésons, rechercher de nouveaux états de la matière, comme les boules de glue et les hybrides, étudier la spectroscopie des baryons charmés et multi-étranges, les hypernoyaux, les hadrons dans la matière nucléaire. Les réactions d’annihilation antiproton-proton permettent aussi d’étudier la structure du nucléon, en particulier en utilisant les canaux électromagnétiques de production de paires électron-positron, qui constituent l’objet d’étude de cette thèse. Un problème majeur de l’étude des canaux électromagnétiques, est le bruit de fond hadronique, qui est au moins six ordres de grandeur plus grand que le signal et qui nécessite une excellente identification de particules et une bonne résolution en impulsion. Or, la reconstruction de l’impulsion des électrons et positrons est dégradée par l’émission de photons de Bremsstrahlung le long de leur trace. Dans la première partie de la thèse, j’ai étudié ce problème et développé une méthode, basée sur une correction de l’impulsion des électrons et positrons événement par événement, en utilisant la détection des photons de Bremsstrahlung dans le calorimètre électromagnétique. Cette méthode, qui a été intégrée dans le code de reconstruction officiel de PANDA, PANDAroot, permet une amélioration très significative de la résolution en impulsion des électrons dont peuvent bénéficier toutes les études de canaux de production de paires électron-positron.Dans la deuxième partie, j’ai effectué une étude de faisabilité de la mesure de la réaction antiproton proton → J/Ψ π⁰ dans un modèle utilisant des TDAs (Transition Distribution Amplitudes) pion-nucléon. Les TDAs sont des objets non-perturbatifs qui décrivent la transition entre deux particules différentes. Par exemple, les TDAs pion-nucléon donnent des informations sur les composantes pioniques dans la fonction d’onde du nucléon. Pour cette étude, j’ai utilisé le modèle de TDA pour créer un générateur d’événements, puis j’ai étudié les capacités de réjection du bruit de fond hadronique. L’amélioration de l’efficacité du signal, due à la méthode de correction de Bremsstrahlung a pu aussi être quantifiée. Cette étude pourra être utilisée pour une proposition d’expérience pour PANDA.


  • Résumé

    The multi-purpose detector PANDA (antiProton Annihilation at Darmstadt) will be built at the antiproton storage ring of the FAIR accelerator complex that is under construction in Darmstadt and is expected to provide its first beam in 2019. The fixed target experiment PANDA is a state of the art hadronic physics detector. With PANDA, one can explore a wide range of topics including meson spectroscopy, search for new states of matter such as glue balls and hybrids, charmed and multi-strange baryon spectroscopy, hyper-nuclei, and properties of hadrons in nuclei. Proton antiproton annihilation reactions will also allow to study the structure of nucleons, in particular by exploiting the electromagnetic channel of electron-positron pair production which is the subject of this thesis.One major problem with studies of electromagnetic channels is the hadronic background with cross-sections at least six orders of magnitude larger than the signal, requiring excellent particle identification and good momentum resolution. However the momentum reconstruction for electrons and positrons is degraded due to the emission of Bremsstrahlung photons along their path. In the first part of this thesis, I studied this problem and developed a method based on the correction of the momentum of electrons and positrons event by event, using Bremsstrahlung photons detected in the electromagnetic calorimeter. This method, which has been integrated into PANDAroot, the official PANDA reconstruction code, provides a significant improvement of momentum resolution for electrons, and will be exploitable by any measurement with electron-positron pair in the exit channel.In the second part, I performed a feasibility study of measuring the reaction antiproton p →J/Ψ π⁰ using predictions from a model based on pion-nucleon TDAs (Transition Distribution Amplitudes). TDAs are non-perturbative objects that describe the transition between two particles of different nature. For example, pion-nucleon TDAs contain information about the pionic components in the nucleon's wave function. For this study, I relied on the TDA model to create an event generator, and studied the capability to reject hadronic background. The improvement of the efficiency for the signal due to the Bremsstrahlung correction method was quantified. This study can be used as basis for a proposal of an experiment with PANDA.


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