Development and installation of a central calorimeter and measurements of the reaction pp -> pp-pi(plus)+pi(minus) with spin-polarized protons at the Time-Of-Flight spectrometer COSY-TOF

Am Flugzeitspektrometer COSY-TOF wurde in zwei Strahlzeiten die Zwei-Pion-Produktion pp -> pp-pi(plus)+pi(minus) bei einem Strahlimpuls von 1.4 GeV/c, entsprechend einer Strahlenergie von 747 MeV, exklusiv, d.h. kinematisch vollständig vermessen. Hierbei wurde erstmals erfolgreich das in das TOF-Spektrometer integrierte Zentralkalorimeter eingesetzt, dessen Entwicklung und Bau einer der zentralen Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit war. Die Messung wurde mit einem transversal polarisierten Protonenstrahl durchgeführt, durch den erstmals die Möglichkeit gegeben war, für die Zwei-Pion-Produktion Analysierstärken in verschiedenen Subsystemen zu bestimmen. Der aus den experimentellen Daten bestimmte totale Wirkungsquerschnitt für die geladene Zwei-Pion-Produktion ist mit einem Wert von 1 micro-b innerhalb der Fehler mit Messungen verträglich, die am PROMICE/WASA-Detektor in Uppsala bei einer Strahlenergie von 750 MeV durchgeführt wurden. Die experimentellen Daten werden mit den Vorhersagen verschiedener Reaktionsmechanismen verglichen, die bereits im Rahmen der Interpretation der pp pi+pi-Daten von PROMICE/WASA entwickelt wurden. Die COSY-TOF-Daten zeigen in Übereinstimmung mit den Resultaten von PROMICE/WASA, dass im hier betrachteten Energiebereich die Anregung der Roper-Resonanz N*(1440) in einer der beiden beteiligten Nukleonen mit anschließendem Zerfall in zwei mögliche N-pi-pi-Kanäle der dominierende Reaktionsmechanismus für die Zwei-Pion-Produktion ist, wobei die beiden Zerfallskanäle des N* miteinander interferieren. Die Daten stützen außerdem die These, dass die Zwei-Pion-Produktion dominant durch sigma-Austausch der beiden Protonen im Eingangskanal initiiert wird. Die Analysierstärken weichen teilweise vom Wert Null ab, was auf signifikante Beiträge von Partialwellen mit Bahndrehimpuls 0 zwischen den Reaktionspartnern hinweist. Damit hat man erstmals Hinweise, dass in dieser Reaktion die pi-pi-Produktion im rho-Kanal eine signifikante Rolle spielen könnte.At the Time-Of-Flight spectrometer COSY-TOF two beam times were performed to measure the two pion production pp -> pp-pi(plus)+pi(minus) at a beam momentum of 1.4 GeV/c, corresponding to a beam energy of 747 MeV. This measurement was performed exclusively, i.e. kinematically complete. Therefore the new central calorimeter was used in the TOF spectrometer, of which the development and construction was one of the main tasks of this thesis. For the measurement a transversely polarized proton beam was used, giving for the first time the possibility to measure analyzing powers of the two pion production reaction in various subsystems. The total cross section for the charged two pion production calculated out of the measured data agrees with a value of 1 μb with previous measurements performed at the PROMICE/WASA detector in Uppsala at a beam energy of 750 MeV. The experimental data are compared to predictions of various reaction mechanisms which were developed for interpreting the $ppπ+\pi;- data of PROMICE/WASA. The COSY-TOF data show in agreement with the results of PROMICE/WASA that in this energy range the excitation of the Roper resonance N*(1440) in one of the participating nucleons with subsequent decay in two possible N-pi-pi channels is the dominating process for the two pion production. The two possible decay channels of the N* interfere with each other. The data support the hypothesis that the two pion production is initiated predominantly by the exchange of a σ meson between the two protons in the incoming channel. The measured analyzing powers deviate from a zero value, indicating to contributions of partial waves with orbital angular momentum 0 between the two reaction partners. This points to the fact that in this reaction the pi-pi production in the rho-channel might play a significant role