Tiefinelastische virtuelle Compton-Streuung vom unpolarisierten Wasserstoff-Target am HERMES-Experiment

In deeply virtual Compton scattering a virtual photon mediates the scattering between an incoming lepton and a quark that has been taken out of the nucleon. The quark emits a real photon and joins the nucleon while possibly exciting it to a resonant state. The description of this process within the framework of Generalized Parton Distributions gives access to the total angular momentum of quarks inside the nucleon. This information will provide valuable insight into the spin decomposition of the nucleon. In the present work data has been analyzed that was taken at the HERMES experiment at the HERA storage ring at DESY in Hamburg between the years 1996-2005. At HERMES polarized lepton beams were scattered off a polarizable internal gas target. In this thesis the data taken with a hydrogen target have been studied. The data sets with different target polarization states were combined into an effectively unpolarized sample. The deeply virtual Compton scattering process competes against the Bethe-Heitler process, in which the real photon is emitted by either the incoming or outgoing lepton. Experimentally those two processes are indistinguishable and thus interfere. Azimuthal dependencies in the distribution of the real photon around the direction of the virtual photon appearing in the interference term (and also the pure DVCS process amplitude) can be extracted by forming cross section asymmetries with respect to beam charge and/or beam polarization states. This was achieved by selecting the respective events, while ensuring different data quality criteria. Various systematic studies partially on Monte Carlo basis have been performed and the systematic errors have been estimated. The resulting asymmetry amplitudes have been compared to various model calculations. Neither of the existing model variants was capable of describing all extracted amplitudes. First steps were taken to fit a parameterization of the Generalized Parton Distributions to the asymmetry amplitudes. The restricted number of data points from the present analysis alone does not yet allow for a unique determination of the free parameters within the approach. This will need additional input from other experimental measurements. In the analyzed data sample the recoiling protons remained undetected. Thus it was impossible to distinguish between events, in which the target remnant was in its ground or a resonant state. Therefore a Recoil Detector has been installed in the year 2006 into the HERMES experiment. One of the three components of this detector was a silicon strip counter. The examinations of this detector before installation, as well as its commissioning and calibration were part of the present work. The data treatment and calibration are therefore discussed in detail.Als tiefinelastische virtuelle Compton-Streuung bezeichnet man den Prozess, in dem ein einlaufendes Lepton mittels eines virtuellen Photons mit einem Quark wechselwirkt, das hierbei ein reelles Photon emittiert. Das Nukleon kann dabei intakt bleiben oder in einen Resonanzzustand angeregt werden. Die Beschreibung dieses Prozesses mit Hilfe von sogenannten Generalisierten Parton-Verteilungsfunktionen erlaubt eine experimentelle Bestimmung des Gesamtdrehimpulses der Quarks innnerhalb eines polarisierten Nukleons. Diese Information wird das Verständnis der Zusammensetzung des Spins des Nukleons aus dessen Bestandteilen verbessern. In dieser Arbeit wurden Daten untersucht, die am HERMES-Experiment an der Speicherringanlage HERA in Hamburg am DESY in den Jahren 1996 bis 2005 genommen wurden. Bei HERMES werden polarisierte Leptonstrahlen an einem polarisierbaren Gastarget gestreut. In der vorliegenden Analyse wurde die Daten analysiert, die an einem Wasserstofftarget genommen wurden. Dabei wurden alle Ereignisse so kombiniert, dass es sich effektiv um einen unpolarisierten Datensatz handelte. Der Prozess der tiefinelastischen virtuellen Compton-Streuung konkuriert mit dem Bethe-Heitler Prozess, in dem das reelle Photon von dem ein- oder auslaufenden Lepton emittiert wird. Die experimentelle Ununterscheidbarkeit der beiden Prozesse führt zur Interferenz derer Amplituden. Diese Interferenz erzeugt azimutale Asymmetrien in der Verteilung der reellen Photonen um die Richtung des virtuellen Photons relativ zum Spin- und/oder Ladungszustand der Strahlleptonen. In der vorliegenden Arbeit wurde diese azimutalen Asymmetrien extrahiert. Dazu wurden zunächst die entsprechenden Ereignisse aus den am HERMES-Experiment genommenen Daten gefiltert und dann auf ihre Konsistenz untersucht. Verschiedene systematische Untersuchungen teils mit Hilfe von Monte Carlo Studien wurden durchgeführt und eine Abschätzung der systematischen Fehler vorgenommen. Die resultierenden Asymmetrien wurden mit verschiedenen Modellrechnungen verglichen. Keines der vorhandenen Modelle kann alle extrahierten Asymmetrien gleichzeitig beschreiben. Daher wurden erste Schritte unternommen, eine Parameterisierung der den Generalisierten Parton-Verteilungsfunktionen zu Grunde liegenden Compton Formfaktoren zu finden, die die erzielten Resultate beschreiben können. Der abgedeckte Phasenraum durch das HERMES-Experiment erlaubt es jedoch nicht, die freien Variablen einer solchen Parameterisierung alleine festzulegen. Dazu müssen weitere experimentelle Ergebnisse mit den hier Erzielten kombiniert werden. Im untersuchten Datensatz wurde das Proton im Endzustand nicht nachgewiesen. Daher war es nicht möglich, zwischen Ereignissen zu unterscheiden, in denen sich dieses Proton im Grundzustand oder einer Resonanz befand. Deshalb wurde das HERMES-Experiment im Jahr 2006 um den Rückstoß-Detektor erweitert. Dieser bestand u.a. aus einem Silizium-Streifen-Zähler. Die Untersuchungen vor der Installation dieses Detektors, sowie die Inbetriebnahme und Kalibration desselben waren Bestandteil dieser Arbeit. Die Datenaufbereitung und Kalibration des Detektors sind daher ausführlich beschrieben