Measurement of the hadronic cross section at the particle factories DAPHNE and PEP-II via initial state radiation

• Applicant: Professor Dr. Achim Denig
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2002 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5383265

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Ziel der Emmy-Noether-Gruppe war es, den hadronischen Wirkungsquerschnitt σ(e+ e− → Hadronen) für mehrere exklusive hadronische Kanäle unterhalb von ca. 4 GeV zu vermessen. Dieses Programm war – und ist noch immer – sehr stark motiviert durch eine neue Messung des Brookhaven E821-Experimentes des anomalen magnetischen Moments des Myons. In dieser Messung konnte die Präzisionsgröße (gµ − 2) mit einem Faktor 15 höherer Genauigkeit im Vergleich zum CERN-Vorgänger-Experiment gemessen werden. Die Standardmodell-Vorhersage für (gµ −2), die im Vergleich mit der direkten E821-Messung einen hochsensitiven Test des Standardmodells der Teilchenphysik erlaubt, ist i.w. durch hadronische Beiträge in Loop-Prozessen limitiert, die nicht in einer Störungsrechnung im Rahmen der QCD gerechnet werden können. Es handelt sich um den Beitrag der hadronischen Vakuum-Polarisation und als sub-führender Term der Beitrag der hadronischen Licht-Licht-Streuung. Weiterhin erlauben Messungen hadronischer Wirkungsquerschnitte, die laufende elektromagnetische Feinstrukturkonstante αQED (m2/Z) mit verbesserter Genauigkeit zu bestimmen. Dies ist von besonderer Wichtigkeit hinsichtlich von Präzisions-Fits an elektroschwache Präzisionsdaten. Die von uns in Frascati an der φ-Fabrik DAΦNE (Experiment KLOE) und in Stanford an der B-Fabrik PEP-II (Experiment BABAR) durchgeführten Messungen, erlauben phänomenologisch den theoretischen Beitrag der hadronischen Vakuum-Polarisation zu bestimmen. In der Tat gelang es uns, durch die weltbesten Messung der relevanten Kanäle σ(e+ e− → π + π − ), σ(e+ e− → π + π − π + π − ), σ(e+ e− → π + π − 2π 0 ), den Theorie-Fehler für (gµ − 2) signifikant zu senken. Die hier genannten Kanäle wurden von uns hauptverantwortlich analysiert, andere Gruppen in Frascti, Stanford, Novosibirsk und Orsay haben Messungen anderer hadronischer Kanäle (bzw. auch der gleichen Kanäle bei anderen Experimenten) durchgeführt, die ebenfalls von Relevanz hinsichtlich der Fragestellung u (gµ − 2) sind. Heute ist der Fehler der Standardmodell-Vorhersage für die Myon-Anomalie – als Konsequenz der von uns durchgeführten Messungen – in etwa gleich groß wie der E821-Wert. Unsere Messungen wurden mit einer an Elektron-Positron-Collidern vollkommen neuartigen Methode durchgeführt, nämlich unter Verwendung von Photon-Abstrahlung im Anfangszustand (Initial State Radiation, ISR). Die Methode wird auch als Radiative Return bezeichnet, da an Beschleunigern, die bei einer höheren Schwerpunktsenergie arbeiten, in einem radiativen Prozess niedrigliegende Resonanzen (ρ, ω, φ, ρ′ , ρ′′ , J/ψ etc.) erzeugt werden. Ein Erfolg der Emmy-Noether-Gruppe ist die Tatsache, dass diese Methode mittlerweile zu einer Standardmethode an e+ e− -Beschleunigern wurde und heutzutage die präzisesten Messungen des hadronischen Wirkungsquerschnitts mit dieser Methode erzielt wurden.

Publications

• “Measurement of Γ(φ → η′ γ)/Γ(φ → ηγ) and the pseudoscalar mixing angle,” Phys. Lett. B 541 (2002) 45
  A. Aloisio et al. [KLOE Collaboration]
  
• “Study of the decay φ → π+ π− π0 with the KLOE detector,” Phys. Lett. B 561 (2003) 55 [Erratum-ibid. B 609 (2005) 449]
  A. Aloisio et al. [KLOE Collaboration]
  
• “Upper limit on the η → γγγ branching ratio with the KLOE detector,” Phys. Lett. B 591 (2004) 49
  A. Aloisio et al. [KLOE Collaboration]
  
• “Measurement of σ(e+ e− → π+ π− γ) and extraction of σ(e+ e− → π+ + π−) below 1-GeV with the KLOE detector,” Phys. Lett. B 606 (2005) 12
  A. Aloisio et al. [KLOE Collaboration]
  
• “A Structure at 2175 MeV in e+ e− → φ f0 (980) Observed via Initial-State Radiation,” Phys. Rev. D 74 (2006) 091103
  B. Aubert et al. [BABAR Collaboration]
  
• “Measurement of the DAFNE luminosity with the KLOE detector using large angle Bhabha scattering,” Eur. Phys. J. C 47 (2006) 589
  F. Ambrosino et al. [KLOE Collaboration]
  
• “Study of e+ e− → ΛΛ−, ΛΣ−0, Σ0Σ−0 using initial state radiation with BABAR,” Phys. Rev. D 76 (2007) 092006
  B. Aubert et al. [BABAR Collaboration]
  
• “Determination of η → π + π − π0 Dalitz plot slopes and asymmetries with the KLOE detector,” JHEP 0805 (2008) 006
  F. Ambrosino et al. [KLOE Collaboration]
  
• “The e+ e− → 2(π+ π− )π 0 , 2(π+ π− )η, K + K − π+ π −π0 and K+ K− π+ π− η Cross Sections Measured with Initial-State Radiation,” Phys. Rev. D 76 (2007) 092005 [Erratum-ibid. D 77 (2008) 119902
  B. Aubert et al. [BABAR Collaboration]
  
• “Measurement of the γγ∗ → π0 transition form factor,” Phys. Rev. D 80 (2009) 052002
  B. Aubert et al. [BABAR Collaboration]
  
• “Measurement of σ(e+ e− → π+ π− γ) and the dipion contribution to the muon anomaly with the KLOE detector,” Phys. Lett. B 670 (2009) 285
  F. Ambrosino et al. [KLOE Collaboration]
  
• “Measurement of the η → 3π0 slope parameter α with the KLOE detector,” Phys. Lett. B 694 (2010) 16
  F. Ambrosino et al. [KLOE Collaboration]
  
• “Quest for precision in hadronic cross sections at low energy: Monte Carlo tools vs. experimental data,” Eur. Phys. J. C 66 (2010) 585
  S. Actis et al. [Working Group on Radiative Corrections and Monte Carlo Generators for Low Energies Collaboration]
  
• “Measurement of the γγ ∗ → η and γγ ∗ → η ′ transition form factors,” Phys. Rev. D 84 (2011) 052001
  P. del Amo Sanchez et al. [BABAR Collaboration]
  
• “Measurement of σ(e+ e− → π+ π− ) from threshold to 0.85 GeV2 using Initial State Radiation with the KLOE detector,” Phys. Lett. B 700 (2011) 102
  F. Ambrosino et al. [KLOE Collaboration]
  
• “Cross Sections for the Reactions e+ e− → K+ K− π + π −, K + K − π 0 π 0 , andK + K − K + K − Measured Using Initial- State Radiation Events,” Phys. Rev. D 86 (2012) 012008
  J. P. Lees et al. [BABAR Collaboration]
  
• “Initial-State Radiation Measurement of the e+ e− → π+ π− π+ π− Cross Section,” Phys. Rev. D 85 (2012) 112009
  J. P. Lees et al. [BaBar Collaboration]
  
• “Nucleon Electromagnetic Form Factors in the Timelike Region,” Progress in Particle and Nuclear Physics, Volume 68 (2013) 113
  G. Salme, A. Denig
  
• “Nucleon Electromagnetic Form Factors in the Timelike Region,” Progress in Particle and Nuclear Physics, Volume 68 (2013) 113
  G. Salme, A. Denig
  
• “Track Finding Efficiency in BaBar,” Nucl. Instrum. Meth. A 704 (2013) 44
  T. Allmendinger, B. Bhuyan, D. N. Brown, H. Choi, S. Christ, R. Covarelli, M. Davier and A. G. Denig et al.