Messung der Zerfallsasymmetrien der radiativen Hyperonzerfälle Xi 0 Lambda gamma und Xi 0 Sigma 0 gamma mit dem NA48/1-Experiment

Der radiative Zerfall eines Hyperons in ein leichteres Hyperon und ein Photon erlaubt eine Untersuchung der Struktur der elektroschwachen Wechselwirkung von Hadronen. Dazu wird die Zerfallsasymmetrie $alpha$ betrachtet. Sie beschreibt die Verteilung des Tochterhyperons bezüglich der Polarisation $vec{P}$ des Mutterhyperons mit $dN / d cos(Theta) propto 1 + alpha |vec{P}| cos(Theta)$, wobei $Theta$ der Winkel zwischen $vec{P}$ und dem Impuls des Tochterhyperons ist. Von besonderem Interesse ist der radiative Zerfall $Xi^0 to Lambda gamma$, für den alle Rechnungen auf Quarkniveau eine positive Asymmetrie vorhersagen, wohingegen bisher eine negative Asymmetrie von $alpha_{Lambda gamma} = -0,73 +- 0,17$ gemessen wurde. Ziel dieser Arbeit war es, die bisherigen Messungen zu überprüfen und die Asymmetrie mit einer deutlich höheren Präzision zu bestimmen. Ferner wurden die Zerfallsasymmetrie des radiativen Zerfalls $Xi^0 to Sigma^0 gamma$ ermittelt und zum Test der angewandten Analysemethode der gut bekannte Zerfall $Xi^0 to Lambda pi^0$ herangezogen. Während der Datennahme im Jahr 2002 zeichnete das NA48/1-Experiment am CERN gezielt seltene $K_S$- und Hyperonzerfälle auf. Damit konnte der weltweit größte Datensatz an $Xi^0$-Zerfällen gewonnen werden, aus dem etwa 52.000 $Xi^0 to Lambda gamma$-Zerfälle, 15.000 $Xi^0 to Sigma^0 gamma$-Zerfälle und 4 Mill. $Xi^0 to Lambda pi^0$-Zerfälle mit nur geringem Untergrund extrahiert wurden. Ebenso wurden die entsprechenden $antiXi$-Zerfälle mit etwa einem Zehntel der obigen Ereigniszahlen registriert. Die Bestimmung der Zerfallsasymmetrien erfolgte durch den Vergleich der gemessene Daten mit einer detaillierten Detektorsimulation und führte zu den folgenden Resultaten dieser Arbeit: $alpha_{Lambda gamma} = -0,701 +- 0,019_{stat} +- 0,064_{sys}$, $alpha_{Sigma^0 gamma} = -0,683 +- 0,032_{stat} +- 0,077_{sys}$, $alpha_{Lambda pi^0} = -0,439 +- 0,002_{stat} +- 0,056_{sys}$, $alpha_{antiLambda gamma} = 0,772 +- 0,064_{stat} +- 0,066_{sys}$, $alpha_{antiSigma^0 gamma} = 0,811 +- 0,103_{stat} +- 0,135_{sys}$, $alpha_{antiLambda pi^0} = 0,451 +- 0,005_{stat} +- 0,057_{sys}$. Somit konnte die Unsicherheit der $Xi^0 to Lambda gamma$-Zerfallsasymmetrie auf etwa ein Drittel reduziert werden. Ihr negatives Vorzeichen und damit der Widerspruch zu den Vorhersagen der Quarkmodellrechnungen ist so zweifelsfrei bestätigt. Mit den zum ersten Mal gemessenen $antiXi$-Asymmetrien konnten zusätzlich Grenzen auf eine mögliche CP-Verletzung in den $Xi^0$-Zerfällen, die $alpha_{Xi^0} neq -alpha_{antiXi}$ zur Folge hätte, bestimmt werden.The radiative decay of a hyperon into a light hyperon and a photon allows to study the structure of the electroweak interaction of hadrons. For this purpose, the decay asymmetry is an appropriate observable. It describes the distribution of the daughter hyperon with respect to the polarization $vec{P}$ of the mother hyperon by $dN / d cos(Theta) propto 1 + alpha |vec{P}| cos(Theta)$, where $Theta$ is the angle between $vec{P}$ and the momentum of the daughter hyperon. The radiative decay $Xi^0 to Lambda gamma$ is of particular interest since all calculations at quark level predict a positive decay asymmetry whereas two existing measurements result in a negative value of $alpha_{Lambda gamma} = -0.73 pm 0.17$. The goal of the analysis presented here was to verify these results and to improve the accuracy of the decay asymmetry measurement. In addition, the decay asymmetry of the similar decay $Xi^0 to Sigma^0 gamma$ was measured, and the well-known decay $Xi^0 to Lambda pi^0$ was used to test the analysis strategy. During the data taking period in 2002, the NA48/1 experiment at CERN was searching for rare $K_S$ and hyperon decays. The collected data represents the world's largest sample of $Xi^0$ decays. From this sample, about 52,000 $Xi^0 to Lambda gamma$ decays, 15,000 $Xi^0 to Sigma^0 gamma$ decays and 4 mill. $Xi^0 to Lambda pi^0$ decays with small background were extracted as well as the corresponding $antiXi$ decays. The available $antiXi$ samples amount about one tenth of the $Xi^0$ samples. The measurement of the decay asymmetries was based on the comparison between data and a detailed Monte Carlo simulation, giving the following results: $alpha_{Lambda gamma} = -0.701 +- 0.019_{stat} +- 0.064_{sys}$, n$alpha_{Sigma^0 gamma} = -0.683 +- 0.032_{stat} +- 0.077_{sys}$, $alpha_{Lambda pi^0} = -0.439 +- 0.002_{stat} +- 0.056_{sys}$, $alpha_{antiLambda gamma} = 0.772 +- 0.064_{stat} +- 0.066_{sys}$, $alpha_{antiSigma^0 gamma} = 0.811 +- 0.103_{stat} +- 0.135_{sys}$, $alpha_{antiLambda pi^0} = 0.451 +- 0.005_{stat} +- 0.057_{sys}$. The uncertainty on the $Xi^0 to Lambda gamma$ decay asymmetry could be reduced by a factor 3, confirming the negative value of this asymmetry and, as a result, the disagreement with the predictions of the calculations at quark level. The $antiXi$ asymmetries have been measured for the first time, allowing to set limits on possible CP violation in $Xi^0$ decays