Produktion von Hadronenpaaren an transversal polarisierten Targets in semi-inklusiver tiefinelastischer Streuung

Nucleons such as protons and neutrons are composite objects made of quarks, which are bound together by the strong force via the exchange of gluons. The probability of finding a quark of flavor q carrying the momentum fraction x of the fast moving parent nucleon is described by a parton distribution function (PDF) f1(x), the number density. The spin, an intrinsic angular momentum of elementary particles such as quarks but also of composite objects like nucleons, couples with magnetic fields, which allows one to align it. Taking into account this additional parameter, the spin, the scheme of PDFs in leading twist is expanded by the helicity distribution g1(x) and the transversity distribution h1(x). The first distribution covers the case where the nucleon and the quark are longitudinally polarized, while a transverse polarization is taken into account by the latter. A tool for the investigation of the PDFs is inclusive deep inelastic scattering (DIS) of electro-magnetic probes off (un)polarized nucleons at fixed-target experiments. This only gives access to f1(x) and g1(x), while the chiral-odd nature of the transversity distribution prevents a measurement without detecting the final hadronic states. However, h1(x) can be observed in semi-inclusive DIS (SIDIS) in combination with another chiral-odd function like the dihadron fragmentation function H1 in the production of a hadron-pair. The resulting experimental challenge is the reason why f1(x) and g1(x) have been investigated for almost four decades, while h1(x) is still subject to recent measurements and analyses. The 160 GeV/c polarized muon beam of CERN's M2 beamline allows the COMPASS experiment to investigate spin effects using polarized solid-state targets. Since the year 2002 COMPASS has collected unique data sets on transversely polarized targets of lithium deuteride and ammonia, serving as deuteron and proton targets, respectively. The work of this thesis started with the analysis of asymmetries of hadron-pairs from the 2010 high statistic data. The subsequent implementation of particle identification using the data from the RICH detector allowed discrimination between pure pion and kaon pairs, as well as mixed pairs. The results obtained motivated for an extension of this identification analysis to the previous deuteron 2003-2004 and proton 2007 data sets using the same methods and requirements as for the 2010 data. Hence, the full set of identified hadron-pair asymmetries from the COMPASS data on the deuteron and the proton target are presented in this work. The results are compared to model predictions and results from the HERMES collaboration. Finally an extraction of the transversity distribution function h1(x) for u and d valence quarks was carried out with these new results. In its second phase the COMPASS experiment will test a fundamental QCD relation linking SIDIS and Drell-Yan processes. An advanced type of scintillation fiber detector is crucial to the success of this measurement. The R&D efforts and the construction of this high rate capable detector requiring new approaches to the topic, are also described as part of this work.Nukleonen sind aus Quarks zusammengesetzte Objekte, welche durch die starke Wechselwirkung mittels Gluonenaustausch aneinander gebunden sind. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Quark der Art q den Impulsanteil x des Nukleons trägt, wird durch die Partonenverteilungsfunktion f1(x) beschrieben. Der Spin, eine intrinsische Eigenschaft von Elementarteilchen wie etwa Quarks lässt sich mittels magnetischer Felder ausrichten. Der Spin tritt jedoch auch bei zusammengesetzten Objekten wie den Nukleonen auf. Diese Eigenschaft erlaubt es, zwei weitere Partonenverteilungsfunktionen in führender Ordnung einzuführen, die Helizitätsverteilungsfunktion g1(x) und die transversale Verteilungsfunktion h1(x), auch Transversity genannt. Erstere beschreibt den Fall, dass die Spins des Nukleons und des Quarks longitudinal polarisiert sind, die zweite Funktion den Fall transversaler Polarisation beider. Eine Methode zur Untersuchung der Partonenverteilungsfunktionen ist die inklusive tiefinelastische Streuung (DIS) von elektromagnetischen Proben an (nicht) polarisierten Nukleonen. Diese erlaubt jedoch nur einen Zugang zu f1(x) und g1(x), da die transversale Verteilungsfunktion aufgrund ihrer chiral ungeraden Eigenschaft nicht ohne den Nachweis der hadronischen Endzustände bei Streuexperimenten mit leptonischen Proben gemessen werden kann. In dieser sogenannten semi-inklusiven tiefinelastischen Streuung (SIDIS) benötigt h1(x) daher eine weitere chiral ungerade Funktion, wie zum Beispiel die zwei Hadronen Fragmentationsfunktion H1, um beobachtet werden zu können. Die daraus resultierenden experimentellen Anforderungen sind ein Grund dafür, dass f1(x) und g1(x) bereits seit vier Jahrzehnten untersucht werden, h1(x) jedoch weiterhin Bestandteil aktueller Messungen und Analysen ist. Das COMPASS Experiment am CERN nutzt einen polarisierten Muonenstrahl mit einem Impuls von 160 GeV/c und ein polarisiertes Target, um diese Spin-Effekte zu untersuchen. Seit dem Jahr 2002 hat COMPASS mehrere Datensätze an transversal polarisierten Targets bestehend aus Lithiumdeuterid und Ammoniak, welche effektiv als Deuteronen- und Protonentarget dienen, aufgenommen. Der erste Schritt dieser Arbeit war die Analyse der mit hoher Statistik gemessenen zwei Hadronen Asymmetrien aller möglichen Kombinationen aus dem Datensatz des Jahres 2010. In einem nächsten Schritt wurde die Identifikation der Hadronenpaare in Pionen-, Kaonen- und gemischte Paare mittels der Daten des RICH-Detektors durchgeführt. Die daraus gewonnenen Resultate motivierten dazu, diese Analyse mit identifizierten Hadronen auch auf die vorhergehenden Datensätze am Deuteronentarget von 2003-2004 und am Protonentarget von 2007 zu erweitern. Dabei wurden einheitliche Methoden und Datenschnitte verwendet. Somit kann der gesamte Satz an zwei Hadronen Asymmetrien des COMPASS Experiments in dieser Arbeit konsistent präsentiert werden. Diese werden mit den Resultaten von Modellrechnungen und den Ergebnissen der HERMES Kollaboration verglichen. Schließlich wurden die Transversity Funktionen der Up- und Down-Valenzquarks mit Hilfe dieser neuen Ergebnisse extrahiert. In seiner zweiten Projektphase wird das COMPASS Experiment versuchen, eine fundamentale QCD Beziehung, welche SIDIS- und Drell-Yan Reaktion verbindet, nachzuweisen. Dabei ist ein weiterentwickeltes Faserhodoskop unverzichtbar für das Gelingen der Messung. Die F&E-Arbeiten und die Konstruktion dieses hochratenverträglichen Detektors erfordern neue Ansätze, welche auch Teil dieser Dissertation sind und kurz beschrieben werden