Di-electron spectroscopy in HADES and CBM : from p + p and n + p collisions at GSI to Au + Au collisions at FAIR

The study of the electromagnetic structure of hadrons plays an important role in understanding the nature of matter. In particular the emission of lepton pairs out of the hot and dense collision zone in heavy-ion reactio
The study of the electromagnetic structure of hadrons plays an important role in understanding the nature of matter. In particular the emission of lepton pairs out of the hot and dense collision zone in heavy-ion reactions is a promising probe to investigate in-medium properties of hadrons and in general the properties of matter under such extreme conditions. The first experimental observation of an enhanced di-electron yield in the invariant-mass region 0:3 - 0:7 GeV/c2 in p+Be collisions at 4:9 GeV/u beam energy [2] was announced by the DLS collaboration [1]. Recent results of the HADES collaboration show a moderate enhancement above n Dalitz decay contributions for 12C+12C at 1 and 2 GeV/u [3, 4] confirming the DLS results. There are several theoretical explanations of this observation, most of them focusing on possible in-medium modifications of the properties of vector mesons. At low beam energies the question whether the observed excess is related to any in-medium effects remains open because of uncertainties in the description of elementary di-electron sources. In this work the di-electron production in p+p and d+p reactions at a kinetic beam energy of 1:25 GeV/u measured by the HADES spectrometer is discussed. At Ekin = 1:25 GeV/u, i.e. below the n meson production threshold in proton-proton reactions, the delta Dalitz decay is expected to be the most abundant source above the pi 0 Dalitz decay region. The observed large difference in di-electron production in p+p and d+p collisions suggests that di-electron production in the d+p system is dominated by the n+p interaction. In order to separate delta Dalitz decays and np bremsstrahlung the di-electron yield observed in p+p and n+p reactions, both measured at the same beam energy, has been compared. The main interest here is the investigation of iso-spin effects in baryonic resonance excitations and the off-shell production of vector mesons [5]. We indeed observe a large difference in di-electron production in p+p and n+p reactions. Results of these studies will be compared to recent calculations. We will also present our experimentally defined cocktail for heavy-ion data. At much higher beam energies experimental results of the CERES [6] and NA60 [7] collaborations also show an enhancement in the invariant mass region 0:3 - 0:7 GeV/c2, in principle similar to the situation in DLS. A strong excess of lepton pairs observed by recent high energy heavy-ion dilepton experiments hint to a strong influence of baryons, however no data exist at highly compressed baryonic matter, achievable in heavy-ion collisions from 8 - 45 GeV/u beam energy. These conditions would allow to study the expected restoration of chiral symmetry by measuring in-medium modifications of hadronic properties, an experimental program which is foreseen by the future CBM experiment at FAIR. The experimental challenge is to suppress the large physical background on the one hand and to provide a clean identification of electrons on the other hand. In this work, strategies to reduce the combinatorial background in electron pair measurements with the CBM detector are discussed. The main goal is to study the feasibility of effectively reducing combinatorial background with the currently foreseen experimental setup, which does not provide electron identification in front of the magnetic field.
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Untersuchungen der elektromagnetischen Struktur von Hadronen spielen eine wichtige Rolle um die Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie zu verstehen. Insbesondere die Emission von Leptonenpaare aus der heißen un
Untersuchungen der elektromagnetischen Struktur von Hadronen spielen eine wichtige Rolle um die Eigenschaften von stark wechselwirkender Materie zu verstehen. Insbesondere die Emission von Leptonenpaare aus der heißen und dichten Phase in Schwerionenkollisionen stellt eine vielversprechende Probe in der Untersuchung von veränderten Eigenschaften der Hadronen im Medium und der Eigenschaften von Materie unter extremen Bedingungen dar. Das DLS Experiment [1] beobachtete einen Überschuss der Elektronenpaarausbeute über die Erwartungen im invarianten Massenbereich von 0:3 - 0:7 GeV/c2 in p+Be-Kollisionen bei 4:9 GeV/u Strahlenergie [2]. Neuere Ergebnisse des HADES Experimentes bestätigen diese DLS Resultate und zeigen einen Überschuss von Elektronenpaare über den erwarteten Beiträgen von n Dalitz-Zerfällen für 12C+12C-Reaktionen bei 1 und 2 GeV/u Strahlenergie [3, 4]. Diese Beobachtung wird in verschiedenen theoretischen Ansätzen unterschiedlich erklärt, die meisten Deutungen konzentrieren sich auf Veränderungen der Eigenschaften der Vektormesonen im Medium. Allerdings bleibt diese Interpretation insbesondere bei diesen niedrigen Strahlenergien wegen der großen Unsicherheiten in den elementaren Elektronenpaarquellen unsicher. In dieser Arbeit wurde die mit dem HADES Experiment gemessene Produktion von Elektronenpaare in p+p und in aus d+p extrahierten n+p-Reaktionen bei Strahlenergien von 1:25 GeV/u untersucht. Bei Energien von Ekin = 1:25 GeV/u befindet man sich in Proton-Proton Stößen noch unterhalb der Schwelle für n-Mesonproduktion, daher ist der delta Dalitz-Zerfall die dominante Quelle für Elektronenpaare oberhalb der pi 0 Dalitz-Zerfallsregion. Man beobachtet einen großen Unterschied in den Spektren aus p+p und n+p Reaktionen bei derselben Strahlenergie. Dieser Vergleich ermöglicht es, die Beiträge der delta Dalitz-Zerfälle von denen aus np-Bremsstrahlung zu trennen. Das wesentliche Interesse liegt hier auf der Untersuchung von Isospin-Effekten in der Anregung baryonischer Resonanzen Produktion von Vektormesonen jenseits der Massenschale [5]. Ergebnisse der hier vorgestellten Analyse werden mit neueren Rechnungen verglichen. Ein experimentell bestimmter Cocktail zum Vergleich mit der Elektronenpaar-Produktion in C+C wird vorgestellt. Auch Ergebnnisse der CERES [6] und NA60 [7] Kollaborationen bei höherer Strahlenergie einen Überschuss der Elektronenpaar-Produktion über den Erwartungen im invarianten Massenbereich von 0:3 - 0:7 GeV/c2 zeigen. Erklärungen dieses Überschusses weisen auf einen starken Einfluss von Baryonen auf die Leptonenpaar-Emission hin. Es existieren allerdings noch keine Messungen im Bereich höchster Kompression von baryonischer Materie bzw. höchster Netto-Baryonendichte, die mit Schwerionenkollisionen bei 8 - 45 GeV/u Strahlenergie erreicht werden können. Solche Bedingungen erlauben die Untersuchung der erwarteten Wiederherstellung der spontan gebrochenen Chiralen Symmetrie durch die Messung von Modifikationen der hadronischen Eigenschaften im Medium. Ein solches experimentelles Programm ist einer der Kernpunkte des geplanten CBM-Experimentes an FAIR. Die experimentelle Herausforderung besteht darin, den großen physikalischen Untergrund zu unterdrücken sowie eine saubere Elektronen Identifizierung zu erhalten. In dieser Arbeit wurden detaillierte Machbarkeitsstudien hierzu durchgeführt und es wurde gezeigt, dass mit der entwickelten Strategie der kombinatorische Untergrund mit der vorgeschlagenen Detektoranordnung hinreichend unterdrückt werden kann.
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Metadaten
Author:Tetyana Galatyuk
URN:urn:nbn:de:hebis:30-71896
Referee:Joachim Stroth
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/10/23
Year of first Publication:2009
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2009/07/17
Release Date:2009/10/23
HeBIS PPN:217157483
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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