Aufbau und Betrieb einer schnellen Kalorimeterelektronik für ein Experiment zur Messung der Paritätsverletzung in der elastischen Elektronenstreuung

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 die paritätsverletzende Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt gemessen, die Aufschluss über den Strangeness-Beitrag zu den Vektor-Formfaktoren des Protons gibt. Insbesondere wurde eine Messung für Rückwärtsstreuwinkel bei einer Elektronenstrahlenergie von 319 MeV durchgeführt, die zusammen mit einem unter Vorwärtsstreuung bei gleichem Impulsübertrag bestimmten Wert die Separation der magnetischen und elektrischen Strangeness-Formfaktoren erlaubt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Elektroniksystem zur Energiemessung und Histogrammierung der auftretenden Einzelereignisse aufgebaut, das eine vernetzte Struktur aus 1022 Einzelkanälen besitzt und zur Verarbeitung einer Gesamtereignisrate von 100 MHz ausgelegt wurde. Für den experimentellen Betrieb wurden für alle Kanäle erforderliche Qualitäts-prüfungen und Eichmessungen vorgenommen. Die volle Funktionsfähigkeit des Systems zur Durchführung eines Zählratenexperiments für die paritätsverletzende Asymmetrie im Bereich von 10^{-6} wurde demonstriert. Um den bei rückwärtigen Streuwinkeln dominierenden inelastischen Untergrund an Photonen in den Spektren zu reduzieren, wurde das System außerdem um ein Taggersystem für Elektronen erweitert. Das Ergebnis einer vorläufigen Analyse für die paritätsverletzende Asymmetrie im Streuquerschnitt von longitudinal polarisierten Elektronen an unpolarisierten Protonen unter Rückwärtsstreuung bei einem Viererimpulsübertrag Q^2 = 0.23 GeV^2/c^2 beträgt A{PV}=(-16.37 +- 0.93 {stat} +- 0.69 {syst}) ppm. Für die Differenz der gemessenen Asymmetrie A{PV} und der theoretischen Vorhersage ohne Strangeness A{0}=(-16.27 +- 1.22) ppm ergibt sich A{S}= A{PV} - A{0} = (-0.10+-1.68) ppm. Mit dem bereits vorliegenden Wert der Vorwärtsstreuung von A{PV} = (-5.59+- 0.57 {stat} +- 0.29 {syst}) ppm kann ein Wert für den magnetischen bzw. elektrischen Formfaktor von G{M}^s = -0.01+- 0.15 bzw. G{E}^s = 0.034 +- 0.050 ermittelt werden.The A4-collaboration at the Mainzer Mikrotron MAMI studies the structure of the proton using the elastic scattering of polarized electrons off an unpolarized hydrogen target. When the electrons are longitudinally polarized, the parity violating asymmetry in the cross section can be measured. From this measurement the contribution of the strange quarks to the form factors of the proton can be extracted. In particular, a new measurement at backward angles and a beam energy of 319 MeV allows in combination with a recent value measured at the same Q^2 under forward angles, to separate the magnetic and electric strange form factors via the Rosenbluth method. As part of this work, an electronic system implementing the trigger, analog signal processing, A/D-conversion and event counting was developed. This system contains a locally coupled network structure of the 1022 single channels and was designed to process rates in the range of 100 MHz. For the experimental operation it was necessary to examine the quality and stability of the system and to extract characteristic calibration values. The reliable operation of the system in a parity violating experiment measuring at the 10^{-6} level was demonstrated. Moreover, the system was successfully upgraded to incorporate an electron tagger system, which was necessary to supress the dominating inelastic background of photons at backward angles. The preliminary value for the parity violating asymmetry for the elastic scattering of longitudinal polarized electrons off an unpolarized hydrogen target under backward angles for Q^2=0.23 GeV^2/c^2 is A{PV}=(-16.37 +- 0.93 {stat} +- 0.69 {syst}) ppm. This determines the difference of the measured asymmetry A{PV} and the theoretical prediction A{0}=(-16.27 +- 1.22) ppm to be A{S}= A{PV} - A{0} = (-0.10 +- 1.68) ppm. In combination with the value measured at forward angles, A{PV} = (-5.59 +- 0.57 {stat} +- 0.29 {syst}) ppm, the separation of the magnetic and electric strange form factors results in G{M}^s = -0.01 +- 0.15 and G{E}^s = 0.034+- 0.050