Design of the new detector setup for the dd→απ0 reaction measurement

W poniższej pracy przedstawiony został projekt modyfikacji detektora WASA (Wide Angle Shower Apparatus) pod kątem efektywnego pomiaru reakcji $\\ce{dd -> ^{4}He \\pi^0}$. Detektor został zoptymalizowany do pomiaru reakcji $\\ce{dd -> ^{4}He \\pi^0}$ łamiącej symetrię ładunkową przy pędzie wiązki równym $1.2$~GeV/$c$, a także $1.6$~GeV/$c$. Wiązkazostanie przyspieszona z użyciem akceleratora COSY (COoler SYnchrotron) znajdującego się w Forschungszentrum J"ulich w Niemczech. Ostateczna idea modyfikacji detektora zakłada usunięciejedenastu warstw przedniego detektora (Forward Detector), to jest, trzech warstw Forward Trigger Hodoscope, pięciu warstw Forward Range Hodoscope, dwóch warstw Forward Range Intermediate Hodoscope i jednej warstwy Forward Range Absorber. Nowy układ detekcyjny pozwala na użycie czasu przelotu oraz straty energii w pozostałych warstwach przedniego detektora w celu identyfikacji cząstek i pomiaru ich energii. W pracy przetestowana została odpowiedź detektora na rejestrację sygnału reakcji $\\ce{dd -> ^{4}He \\pi^0}$ oraz głównych reakcji tła $\\ce{dd -> ^{3}Hen\\pi^0}$ i $\\ce{dd -> ^{4} He \\gamma \\gamma}$. Zaprojektowana została nowa procedura rekonstrukcji śladów w przednim detektorze. Stworzona została również nowa rekonstrukcja energii kinetycznej dla $\\ce{^3 He}$ i $\\ce{^4 He}$, korzystająca z informacji o stratach energii i czasie przelotu cząstek w przednim detektorze. W celu stworzenia metody redukcji tła wykorzystane zostało dopasowanie kinematyczne oraz metoda czasu przelotu \extit{versus} straty energii cząstki ($dE$-TOF). Uzyskane rezultaty pokazują, że dzięki nowemu układowi detekcyjnemu można zmierzyć około 500-1200 zdarzeń sygnału (w zależności od użytych cięć redukujących tło) podczas ośmiotygodniowego pomiaru z energią wiązki $1.2$~GeV/$c$. Tło pochodzące z reakcji $\\ce{dd -> ^{3}Hen\\pi^0}$ może być w znaczący sposób zredukowane. Przewidywana niepewność statystyczna dla pomiaru całkowitego przekroju czynnego wynosi 4\\%, natomiast dla pomiaru anizotropii rozkładu kątowego wynosi około 20\\%.

In this thesis a design of the Wide Angle Shower Apparatus (WASA) modification for the efficient $\ce{dd -> ^{4}He \pi^0}$ reaction measurement is presented. The detector setup was optimized to the registration of a charge symmetry breaking reaction $\ce{dd -> ^{4}He \pi^0}$ with the deuteron beam of $1.2$~GeV/$c$ and also $1.6$~GeV/$c$ momentum, accelerated in the the Cooler Synchrotron COSY located in Forschungszentrum J\"ulich, Germany. The final idea of the setup modification assumes the removal of eleven layers of the Forward Detector, namely, 3 layers of the Forward Trigger Hodoscope, 5 layers of the Forward Range Hodoscope, 2 layers of the Forward Range Intermediate Hodoscope and one layer of the Forward Range Absorber. The new detector setup allows to use a time of flight variable and energy losses in the remaining layers of the Forward Detector for a particles identification and their energy measurement. The detector response to the $\ce{dd -> ^{4}He \pi^0}$ reaction and the main source of background, i.e. $\ce{dd -> ^{3}Hen\pi^0}$ and $\ce{dd -> ^{4} He \gamma \gamma}$ reactions, was tested. A new track reconstruction procedure in the Forward Detector was designed. The $\ce{^3 He}$ and $\ce{^4 He}$ kinetic energy reconstruction based on the energy losses and time of flight information in Forward Detector was applied. A kinematic fit method as well as a time of flight \textit{versus} energy losses technique ($dE$-TOF) were used for the background suppression procedure. Obtained results show that thanks to the new detector setup one may measure about 500-1200 signal events (depending on using background suppression cuts) during 8 weeks long run at beam momenta of $1.2$~GeV/$c$ with the very efficient $\ce{dd -> ^{3}Hen\pi^0}$ background reduction. A total cross section statistical uncertainty is predicted to be about 4\%, when the statistical error of an angular distribution anisotropy is expected to be about 20\%.