Di-pion and di-electron production in quasi-free np reactions with HADES

by Hubert Kuc

Doctoral thesis in Physique

Under the supervision of Béatrice Ramstein and Piotr Salabura.


  • Abstract

    The main subject of this work is a study of the exclusive di-pion (π+π-) and di-electron (e+e-) production associated with deuteron formation in a quasi-free neutron+proton reaction by means of deuteron beams with kinetic energy of 2.5 GeV. The measurement was conducted at GSI, Darmstadt exploiting the HADES spectrometer operating on SIS18 synchrotron. The study was motivated by the observation of the yield excess in the inclusive di-electron production in neutron-proton over the proton-proton collisions at the same nominal energy measured by the HADES and solving the long standing puzzle of the unexplained di-electron yield measured in heavy ion collisions. The relevance of the combined analysis of the two channels follows from predictions of model calculations suggesting a significant contribution to the e+e- yield from off-shell ρ meson production. Furthermore, the results on di-pion production provide valuable verification of the di-baryon formation, recently reported by WASA collaboration, in the complementary phase space region covered by the HADES.Detector components, particle identification, momentum reconstruction and the channel selection are described and explained in details. Differential cross sections for the di-pion and dielectron production, within the HADES acceptance, are presented and compared to model predictions. In particular, for the di-pion channel, the di-pion and deuteron-di-pion invariant mass distributions are compared to the model describing data from the WASA experiment. It is shown that conventional sources of di-pion production, like double Δ(1232) and N*(1440) decays do not describe HADES data and call for additional contributions, like for example di-baryon formation. However, the production of the latter one, though in quantitative agreement with our data, could not be unambiguously proven by the presented analysis. In the dielectron channel, an upper limit of 49 nb has been extracted for the np→pd→γ* d→ e⁺e⁻d reaction. Furthermore, it has been shown that inclusion of the recently suggested: pn→ ΔΔ→ ppn→e⁺e⁻pn improves significantly the description of the HADES dielectron data.

  • Alternative Title

    Emission de di-pions et de di-electrons dans les réactions quasi-libre np avec HADES


  • Abstract

    Cette thèse consiste en une étude de la production exclusive de di-pions (π+π-) et di-électrons (e+e-) associée avec la formation d’un deuton dans la réaction quasi-libre neutron+proton aux moyens de faisceaux de deutons à une énergie cinétique de 2.5 GeV. La mesure a été effectuée à GSI (Darmstadt) en utilisant le spectromètre HADES installé sur le synchroton SIS18. L’étude est motivée par l’observation par HADES d’un excès dans la production inclusive de di-électrons dans les réactions neutron-proton par rapport à la réaction proton-proton à la même énergie nominale. Ce résultat a mis fin au problème de longue date de la production inexpliquée de di-électrons mesurée dans les collisions d’ions lourds. L’ analyse combinée des deux canaux est justifiée par les prédictions de modèles qui suggèrent que la production de ρ « hors-couche » est une source significative de paires e+e-.Les composants du détecteur, l’identification de particules, la reconstruction de l’impulsion et la sélection du canal sont décrits et expliqués en détail. Les sections efficaces différentielles pour la production de di-pions et di-électrons mesurées dans l’acceptance d’HADES sont présentées et comparées aux prédictions des modèles. En particulier, pour le canal de di-pions, les masses invariantes des systèmes de di-pions et deuteron-di-pions sont comparées au modèle décrivant les données de l’expérience WASA. Les sources conventionnelles de production de di-pions, comme la décroissance de deux résonances Δ(1232) ou d’une résonance N(1440), ne décrivent pas les données d’HADES et réclament d’autres contributions, comme par exemple la formation d’un di-baryon. Cependant, l’existence de ce processus, bien qu’en bon accord quantitatif avec nos données, n’a pas pu être prouvée sans ambiguité dans le cadre de cette analyse. Dans le canal de di-électrons, une valeur limite de 49 nb a pu être extraite pour la réaction : np→pd→γ* d→ e⁺e⁻d. De plus, il est montré que la prise en compte du canal pn→ ΔΔ→ ppn→e⁺e⁻pn améliore de façon significative la description des données d’HADES.


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