Etude de résonances baryoniques avec le dispositif HADES

par Amel Belounnas

Projet de thèse en Physique hadronique

Sous la direction de Béatrice Ramstein.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec Institut de physique nucléaire d'orsay (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Etude de résonances baryoniques avec le dispositif HADES L'étude des états excités du nucléon ou résonances baryoniques (Δ(1232), N(1440), N(1520),…) est une source unique d'information sur l'interaction forte. Ces résonances jouent un rôle très important dans les réactions nucléaires dans la gamme d'énergies incidentes de 1 à 3 GeV/nucléon, couverte par l'accélérateur SIS18 à GSI près de Darmstadt en Allemagne. L'originalité du dispositif expérimental HADES installé à GSI [1] est de pouvoir étudier les contributions de ces résonances, à la fois dans les canaux de production de un ou deux pions et de production de paires e+e-. Si les rapports de branchement des principales résonances baryoniques en un pion+un nucléon (R->πN) sont bien connus, les incertitudes sont déjà plus grandes pour la décroissance en deux pions et un nucléon (R->2πN) et la transition électromagnétique (R->e+e-N) est quant à elle totalement inconnue. En mesurant simultanément les réactions exclusives pp->ppπ0, pp->pnπ+, pp->ppπ+π- et pp->ppe+e-, on obtient d'abord des informations sur les mécanismes de ces différentes réactions, en particulier l'importance relative des contributions résonantes et non-résonantes. Ce sont des ingrédients essentiels nécessaires pour décrire les mécanismes de nombreuses réactions mettant en jeu des nucléons individuels ou des noyaux. D'autre part, ces réactions permettent d'extraire les rapports de branchement mentionnés plus haut qui sont des quantités fondamentales pour comprendre comment les hadrons sont générés à partir de quarks et gluons en interaction. Une analyse simultanée de ces différents canaux s'est montrée fructueuse pour l'étude des réactions pp à 1.25 GeV où seules des résonances relativement légères contribuent, avec une dominance très importante de la résonance Δ(1232)[2-3]. L'étude a été aussi prolongée pour l'analyse des canaux de production d'un pion et d'une paire e+e- à une énergie de 3.5 GeV où un nombre de résonances beaucoup plus important entre en jeu [4]. Nous souhaitons maintenant poursuivre ces études par l'analyse des canaux de production de deux pions pp->pp π+π-. Ce canal est d'autant plus intéressant à plus haute énergie que les résonances plus lourdes ont des rapports de branchement plus importants, bien que mal connus, vers les voies à deux pions. De plus, ces voies sont très directement reliées à la production de paires e+e-. En particulier, il sera intéressant de distinguer les voies R->πΔ et R->ρN qui contribuent, par l'intermédiaire des décroissances du Δ et du ρ, à la fois à la production de deux pions et à la production de paires e+e- avec des cinématiques très différentes. Il s'agira donc de sélectionner dans les données mesurées avec HADES en réaction pp à 3.5 GeV le canal pp->pp π+ π- en utilisant les capacités d'identification de particules du détecteur HADES. L'interprétation des données s'appuiera sur les résultats déjà obtenus pour les canaux de production d'un pion et d'une paire e+e- [4]. Elle permettra de lever les ambiguïtés existantes sur les contributions des résonances les plus lourdes et de déterminer les rapports de branchement à deux pions+un nucléon. D'autre part, suivant l'avancement du travail, on pourra aussi étudier le canal pp -> π-π-π+π+pp qui permet, en particulier, d'étudier spécifiquement l'excitation simultanée de deux résonances N+(1440) ou N+(1520). Ce canal permettra aussi de tester l'hypothèse d'existence d'un dibaryon et ainsi de vérifier les interprétations des expériences de la collaboration WASA [5].

  • Titre traduit

    Study of baryonic resonances with the HADES detector


  • Résumé

    The study of the nucleon excited states or baryonic resonances (Δ(1232), N(1440), N(1520),…) is a unique source of information on the strong interaction. These resonances play a very important role in nuclear reactions in the incident energy range of 1 to 3 GeV/nucleon, which is covered by the SIS18 facility at GSI, Darmstadt in Germany. The HADES experimental set up, installed at GSI allows for a study of baryonic resonances both in the one or two pion production and in the e+e- production channels. While the branching ratios towards one pion and a nucleon (R->πN) are well known, uncertainties are rather large for the decay into a nucleon and two pions (R->2πN) and the electromagnetic transition (R->e+e-N) is totally unknown. By measuring simultaneously the exclusive reactions pp-> ppπ0, pp->pnπ+, pp->ppπ+π- et pp->ppe+e-, information can be obtained on the underlying mechanisms of these reactions, and in particular the relative weights of resonant and non-resonant contributions. These are crucial ingredients to describe the mechanism of numerous nuclear reactions involving individual nucleons or nuclei. On the other hand, these reactions can be used to extract the above-mentioned branching ratios. The latter are fundamental quantities needed to understand how hadrons are generated from interacting quarks and gluons. A simultaneous analysis of pionic and electromagnetic channels has been successfully carried out for the pp reaction at 1.25 GeV, where only light baryonic resonances contribute, with a strong dominance of the Δ(1232)[2-3]. The study has been continued for the analysis of one pion as well as one e+e- pair production at an incident energy of 3.5 GeV, where a large number of baryonic resonances contribute [4]. We propose now to carry on by analyzing the pp->pp π+π- channel. This channel is all the more interesting at higher energies than heavier baryonic resonances have in general a larger (although not precisely known) branching ratio towards one nucleon and two pions. Moreover, these channels are very directly connected to the e+e- production channel. In particular, it will be interesting to disentangle the channels R->πΔ and R->ρN which contribute via the Δ and ρ decays both to the two pion and e+e- production channels, but with different kinematics. The goal will therefore be to select among the data measured in pp collisions at 3.5 GeV in the HADES set-up, those corresponding to the exit channel pp π+ π-. Data analysis and interpretation will take advantage of previous works in the one pion and e+e- production channels[4]. The new analysis will allow to resolve existing ambiguities for the contribution of heavier resonances and to determine branching ratios (R->2πN). Moreover, depending on the progress of the work, the student will also analyze the channel pp -> π-π-π+π+pp which allows for a study of the double excitation of N(1440) or N(1520) resonances. This channel is also suited to test the existence of a dibaryon and therefore to check the interpretation of experiments performed by the WASA collaboration [5].