Universität zu Forschungszentrum Jülich Tbilisi State Köln University Measurement of Nucleon-Nucleon Elastic Scattering at Small Angles using the ANKE spectrometer PhD Thesis by Zara Bagdasarian Supervisors: Dr. Dr. h.c. Hans Ströher (Universität zu Köln, FZJ) Dr. Nodar Lomidze (Tbilisi State University, HEPI) A thesis submitted in partial fulfillment for the PhD Degree in Physics under the joint supervision (Cotutelle) from University of Cologne and Ivane Javakhishvili Tbilisi State University Cologne 2016 Measurement of Nucleon-Nucleon Elastic Scattering at Small Angles using the ANKE spectrometer Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität zu Köln (im gemeinsamen Promotionsverfahren (Cotutelle) mit der Staatlichen Iwane-Dschawachischwili-Universität Tiflis) vorgelegt von Zara Bagdasarian aus Tiflis Köln 2016 Berichterstatter: Prof. Dr. Dr. h.c. Hans Ströher, Dr. Nodar Lomidze, Prof. Dr. Merab Eliashvili Tag der mündlichen Prüfung: 11.04.2016 ივანე ჯავახიშვილის სახელობის თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტი ზუსტ და საბუნებისმეტყველო მეცნიერებათა ფაკულტეტი სადოქტორო პროგრამა: “ფიზიკა” მცირე კუთხეებზე ნუკლონ-ნუკლონური დრეკადი გაბნევის შესწავლა ANKE სპექტრომეტრის გამოყენებით ზარა ბაღდასარიანი სადოქტორო დისერტაცია შესრულებულია ფიზიკის დოქტორის აკადემიური ხარისხის მოსაპოვებლად თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტს და კიოლნის უნივერსიტეტს (გერმანია) შორის ერთობლივი ხელმძღვანელობის (Cotutelle) შესახებ ხელშეკრულების ფარგლებში დისერტაციის ხელმძღვანელები: ჰანს შტროერი – კიოლნის უნივერსიტეტის პროფესორი, იულიხის კვლევითი ცენტრის ბირთვული ფიზიკის ინსტიტუტის დირექტორი ნოდარ ლომიძე – ფიზიკა-მათემატიკის მეცნიერებათა დოქტორი, თსუ მაღალი ენერგიების ფიზიკის ინსტიტუტის უფროსი მეცნიერ თანამშრომელი კიოლნი 2016 სადოქტრო პროგრამის ხელმძღვანელები: მერაბ ელიაშვილი - თბილისის სახელმწიფო უნივერსიტეტის პროფესორი მირიან ტაბიძე - ფიზიკა-მათემატიკურ მეცნიერებათა კანდიდატი, თსუ მონაცემთა მოდელური ანალიზის ლაბორატორიის გამგე ნორაირ აკოფოვი - ერევნის ფიზიკის ინსტიტუტის წამყანი მეცნიერ- თანამშრომელი Abstract A fundamental understanding of the nucleon-nucleon (NN) interaction is one of the ultimate goals of nuclear and hadron physics. Apart from their intrinsic im- portance for the study of nuclear forces, NN elastic scattering data are necessary, for example, in the modelling of meson production and other nuclear reactions at intermediate energies. Quantum chromodynamics, the theory of strong interactions, is not able to de- termine the NN interaction from first principles because of its non-perturbative nature at intermediate energies (the coupling constants are too strong). Hence, phenomenological approaches are necessary to describe the NN interaction. Par- tial wave analyses (PWA), such as the ones regularly performed by the SAID (Scattering Analysis Interactive Dial-in) group, have proved to be truly invaluable tools over many years for researchers in this area. These analyses rely on the quantity and quality of the experimental measurements of various proton-proton (pp) and proton-neutron (pn) scattering observables at different energies over the full angular ranges. The goal of many experiments conducted at Cooler Synchrotron (COSY) has been to provide PWA with the precision measurements of NN observables that are essential for these analyses. The experiments presented in this thesis have been carried out within the ANKE collaboration at COSY-Jülich, Germany. Data were obtained using polarised or unpolarised proton beams with kinetic energies from 0.8 GeV up to 2.8 GeV and unpolarised hydrogen or deuterium cluster-jet targets. The detection system of the ANKE spectrometer is the ideal set-up for carrying out refined measurements at the small scattering angles that had not previously been investigated. The thesis comprises the measurements of the analysing power A and differen- y tial cross section dσ/dΩ in pp elastic scattering, and preliminary results for the analysing power A in the pn quasi-free elastic scattering. These new data close y an important gap in the NN database at scattering angles up to 30◦ and energies up to 2.8 GeV. The results obtained are compared to the predictions from the SAID PWA pub- lished in 2007 that were based on data from earlier experiments. The impact of the present results is demonstrated by the significant changes in the low partial waves of the updated SAID PWA, which includes the new ANKE measurements as well as the existing global data. Zusammenfassung Ein fundamentales Verständnis der Nukleon-Nukleon (NN) Wechselwirkung ist eines der wichtigsten Ziele der Kern- und Hadronenphysik. Neben ihrer zentralen BedeutungfürdieErforschungderKernkräfte, sindDatenfürelastischeNNStreu- ung erforderlich, zum Beispiel bei der Modellierung von Mesonproduktion und anderen Kernreaktionen bei mittleren Energien. Die Theorie der starken Wechselwirkung, Quantenchromodynamik, ist nicht in der Lage, die NN Wechselwirkung ab initio zu bestimmen, wegen der nichtstörungs- theoretischen Natur bei mittleren Energien (die Kopplungskonstante ist zu stark). Daher sind phänomenologische Ansätze notwendig, die NN Wechselwirkung zu beschreiben. Partialwellenanalysen (PWA), z.B. jene, die regelmäßig von der SAID (Scattering Anlysis Interactive Dial-in) Gruppe durchgeführt werden, haben sich als wirklich wertvolle Werkzeuge für Forscher in diesem Bereich erwiesen. Eine solche Analyse hängt stark ab von der Quantität und Qualität der exper- imentellen Messungen verschiedener Observablen von Proton-Proton (pp) und Proton-Neutron (pn) Streuung bei verschiedenen Energien und über den gesamten Winkelbereich. Das Ziel vieler Experimente, die am Cooler Synchrotron (COSY) durchgeführt werden, ist, PWA mit den grundlegenden Präzisionsmessungen von NN Observ- ablen zur Verfügung zu stellen. Die Experimente dieser Arbeit wurden an COSY- Jülich von der ANKE Kollaboration durchgeführt. Für die Messungen wurden polarisierte oder unpolarisierte Protonenstrahlen und unpolarisierter Wasserstoff oder Deuterium als Clusterjet-Target benutzt. Das Detektionssystem des ANKE- Spektrometer ist die ideale Einrichtung für präzise Messungen bei kleinen Streu- winkeln, die bisher nicht untersucht worden sind. Die Dissertation beinhaltet die Messungen der Analysierstärke A und differen- y tiellen Wirkungsquerschnitte dσ/dΩ in der pp elastischen Streuung und die vorläu- figen Ergebnisse für die Analysierstärke A in pn quasi-freier elastischer Streuung. y Diese neuen genauen Daten schließen eine wichtige Lücke in der NN Datenbank bei kleinen Streuwinkeln bis zu 30° und Energien bis zu 2.8 GeV. Die erhaltenen Ergebnisse werden verglichen mit den SAID 2007 PWA, die auf Daten aus früheren Experimenten beruhen. Die Auswirkungen der vorliegenden Ergebnisse in Gestalt von signifikanten Veränderungen in den niedrigen Partial- wellen der aktualisierten SAID PWA werden demonstriert.