Einzelspin-Asymmetrien in der elastischen Elektron-Proton-Streuung und die Beiträge der Strange-Quarks zu den Formfaktoren des Nukleons

Abstract

Die A4-Kollaboration am Mainzer Mikrotron MAMI erforscht die Struktur des Protons mit Hilfe der elastischen Streuung polarisierter Elektronen an unpolarisiertem Wasserstoff. Bei longitudinaler Polarisation wird eine paritätsverletzende Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt gemessen, die Aufschluß über den Beitrag der Strangeness zu den Vektor-Formfaktoren des Protons gibt. Bei transversaler Polarisation treten azimutale Asymmetrien auf, die auf Beiträge des Zwei-Photon-Austauschs zum Wirkungsquerschnitt zurückzuführen sind und den Zugriff auf den Imaginärteil der Zwei-Photon-Amplitude ermöglichen.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Messungen bei zwei Impulsüberträgen und jeweils Longitudinal- und Transversalpolarisation durchgeführt und analysiert. Im Vordergrund standen die Extraktion der Rohasymmetrien aus den Daten, die Korrekturen der Rohasymmetrien auf apparative Asymmetrien, die Abschätzung des systematischen Fehlers und die Bestimmung der Strange-Formfaktoren aus den paritätsverletzenden Asymmetrien. Bei den Messungen mit Longitudinalpolarisation wurden die Asymmetrien zu A=(-5.59 +- 0.57stat +- 0.29syst)ppm bei Q^2=0.23 (GeV/c)^2 und A=(-1.39 +- 0.29stat +- 0.12syst)ppm bei Q^2=0.11(GeV/c)^2 bestimmt. Daraus lassen sich die Linearkombinationen der Strange-Formfaktoren zu GEs+0.225GMs= 0.029 +- 0.034 bzw. GEs+0.106GMs=0.070+-0.035 ermitteln. Die beiden Resultate stehen in Übereinstimmung mit anderen Experimenten und deuten darauf hin, daß es einen nichtverschwindenden Strangeness-Beitrag zu den Formfaktoren gibt. Bei den Messungen mit Transversalpolarisation wurden die azimutalen Asymmetrien zu A=(-8.51 +- 2.31stat +-0.89syst)ppm bei E=855 MeV und Q^2=0.23(GeV/c)^2 und zu A=(-8.59 +- 0.89stat +- 0.83syst)ppm bei E=569 MeV und Q^2=0.11(GeV/c)^2 bestimmt. Die Größe der gemessenen Asymmetrien belegt, daß beim Zwei-Photon-Austausch neben dem Grundzustand des Protons vor allem auch angeregte Zwischenzustände einen wesentlichen Beitrag liefern.

The A4 collaboration at the MAMI accelerator facility in Mainz investigates the structure of the proton by elastic scattering of polarized electrons off unpolarized hydrogen. At longitudinal polarization there is a parity violationg asymmetry in the cross section which gives information about the contribution of strangeness to the vector form factor of the proton. At transverse polarization there are azimuthal asymmetries, which arise from the contribution of two-photon exchange to the cross section and allow acces to the imaginary part of the two-photon amplitude.

Within the scope of this thesis, measurements have been made and analyzed at two momentum transfers both with longitudinal and transverse polarization. The main emphasis has been placed on the extraction of the raw asymmetries out of the data, the corrections of the raw asymmetries for false asymmetries, the estimation of the systematic errors and the determination of the strange form factors out of the parity violating asymmetries. For the measurements at longitudinal polarization, the asymmetries have been determined to A =(-5.59 +- 0.57stat +- 0.29syst)ppm at Q^2=0.23(GeV}/c)^2 and A =(-1.39 +- 0.29stat +- 0.12syst)ppm at Q^2=0.11(GeV/c)^2. The linear combination of the strange form factors have been evaluated to GEs+0.225GMs=0.029+-0.034 and GEs+0.106GMs= 0.070+-0.035$ respectively. Both results are in agreement with other experiments and suggest a nonvanishing contribution of strangeness to the form factors. For the measurements at transverse polarization the normal spin asymmetries have been determined to A=(-8.51+-2.31stat+-089syst)ppm at E=855MeV and Q^2=0.23(GeV}/c^2 and to A=(-8.59+-0.89stat+-0.83syst)ppm at E=569MeV and Q^2=0.11(GeV}/c)^2. The size of the asymmetries prove that not only the ground state of the proton but also excited states contribute to the intermediate hadronic state.