Kaon and pion production in centrality selected minimum bias Pb+Pb collisions at 40 and 158A GeV

Produktion von Kaonen und Pionen in zentralitätsselektierten Minimum-Bias-Pb+Pb-Kollisionen bei 40 und 158A GeV

Results on charged kaon and negatively charged pion production and spectra for centrality selected Pb+Pb mininimum bias events at 40 and 158A GeV have been presented in this thesis. All analysis are based on data taken b
Results on charged kaon and negatively charged pion production and spectra for centrality selected Pb+Pb mininimum bias events at 40 and 158A GeV have been presented in this thesis. All analysis are based on data taken by the NA49 experiment at the accelerator Super Proton Synchrotron (SPS) at the European Organization for Nuclear Research (CERN) in Geneva, Switzerland. The kaon results are based on an analysis of the mean energy loss <dE/dx> of the charged particles traversing the detector gas of the time projection chambers (TPCs). The pion results are from an analysis of all negatively charged particles h- corrected for contributions from particle decays and secondary interactions. For the dE/dx analysis of charged kaons, main TPC tracks with a total momentum between 4 and 50 GeV have been analyzed in logarithmic momentum log(p) and transverse momentum pt bins. The resulting dE/dx spectra have been fitted by the sum of 5 Gaussians, one for each main particle type (electrons, pions, kaons, protons, deuterons). The amplitude of the Gaussian used for the kaon part of the spectra has been corrected for efficiency and acceptance and the binning has been transformed to rapidity y and transverse momentum pt bins. The multiplicity dN/dy of the single rapidity bins has been derived by summing the measured range of the transverse momentum spectra and an extrapolation to full coverage with a single exponential function fitted to the measured range. The results have been combined with the mid-rapidity measurements from the time-of-flight detectors and a double Gaussian fit to the dN/dy spectra has been used for extrapolation to rapidity outside of the acceptance of the dE/dx analysis. For the h- analysis of negatively charged pions, all negatively charged tracks have been analyzed. The background from secondary reactions, particle decays, and gamma-conversions has been corrected with the VENUS event generator. The results were also corrected for efficiency and acceptance and the pt spectra were analyzed and extrapolated where necessary to derive the mean yield per rapidity bin dN/dy. The mean multiplicity <pi-> has been derived by summing up the measured dN/dy and extrapolating the rapidity spectrum with a double Gaussian fit to 4pi coverage. The results have been discussed in detail and compared to various model calculations. Microscopical models like URQMD and HSD do not describe the full complexity of Pb+Pb collisions. Especially the production of the positively charged kaons, which carry the major part of strange quarks, cannot be consistently reproduced by the model calculations. Centrality selected minimum bias Pb+Pb collisions can be described as a mixture of a high-density region of multiply colliding nucleons (core) and practically independent nucleon-nucleon collisions (corona). This leads to a smooth evolution from peripheral to central collisions. A more detailed approach derives the ensemble volume from a percolation of elementary clusters. In the percolation model all clusters are formed from coalescing strings that are assumed to decay statistically with the volume dependence of canonical strangeness suppression. The percolation model describes the measured data for top SPS and RHIC energies. At 40A GeV, the system size dependence of the relative strangeness production starts to evolve from the saturation seen at higher energies from peripheral events onwards towards a linear dependence at SIS and AGS. This change of the dependence on system size occurs in the energy region of the observed maximum of the K+ to pi ratio for central Pb+Pb collisions. Future measurements with heavy ion beam energies around this maximum at RHIC and FAIR as well as the upgraded NA49 successor experiment NA61 will further improve our understanding of quark matter and its reflection in modern heavy ion physics and theories.
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Hauptthema dieser Arbeit sind die Messungen der Multiplizitäten und Spektren von geladenen Kaonen und negativ geladenen Pionen für zentralitätsselektierte minimum bias Pb+Pb Kollisionen bei 40 und 158A GeV. Die Analysen 
Hauptthema dieser Arbeit sind die Messungen der Multiplizitäten und Spektren von geladenen Kaonen und negativ geladenen Pionen für zentralitätsselektierte minimum bias Pb+Pb Kollisionen bei 40 und 158A GeV. Die Analysen basieren auf Daten, die mit dem NA49 Experiment am Europäischen Kernforschungszentrum (CERN) in Genf am Beschleuniger Super Proton Synchrotron (SPS) gemessen wurden. Die Ergebnisse für Kaonen basieren auf einer Analyse des mittleren Energieverlusts <dE/dx> der geladenen Teilchen im Detektorgas der Time Projection Chambers (TPCs). Die Ergebnisse für Pionen stammen aus einer Analyse aller negativ geladenen Teilchen h-, die um die Beiträge aus Teilchenzerfällen und Sekundärinteraktionen korrigiert wurden. Für die Analyse des mittleren Energieverlusts <dE/dx> der geladenen Kaonen wurden Spuren innerhalb der beiden MainTPCs mit einem Gesamtimpuls zwischen 4 und 50 GeV/c in einem logarithmischen Binning für den Gesamtimpuls log(p) und einem linearen Binning für den Transversalimpuls pt analysiert. Die resultierenden Spektren wurden mit der Summe von fünf Gaußverteilungen gefitted - je eine Gaußverteilung für eine der Hauptteilchenarten (Elektronen, Pionen, Kaonen, Protonen und Deuteronen). Die Amplitude der Gaußverteilung, die den Kaonenanteil abbildet, wurde um die Effizienz und geometrische Akzeptanz des NA49 Detektors korrigiert. Anschließend wurde das Binning in die übliche Darstellung in Rapiditäts- y und Transversalimpulsbins pt umgewandelt. Die Multiplizität dN/dy der einzelnen Rapiditätsbins wurde durch die Summation des gemessenen Bereichs im Transversalimpulsspektrum sowie mit einer Extrapolation auf die volle Transversalimpulsabdeckung durch eine einfache Exponentialfunktion bestimmt. Zusammen mit der dN/dy Messung durch den Time-of-Flight Detektor bei mittlerer Rapidität wird mit einem Doppel-Gaußfit an das Rapiditätsspektrum die Extrapolation auf Rapiditäten außerhalb der Akzeptanz der dE/dx Analyse durchgeführt und in Kombination mit der Aufsummierung der gemessenen dN/dy Werte die totale mittlere Multiplizität der Kaonen <K-> sowie <K+> bestimmt. Für die h- Analyse zur Bestimmung der negativ geladenen Pionen wurden alle negativ geladenen Teilchenspuren ausgewertet. Der Untergrund durch Sekundärreaktionen, Teilchenzerfälle und gamma-Konversionen wurde durch den VENUS Ereignisgenerator bestimmt und anschließend von den $h^-$ Spektren abgezogen. Außerdem wurden die Ergebnisse um die geometrische Akzeptanz und Rekonstruktionseffizienz des Detektors korrigiert. Die Transversalimpulsspektren dN/dptdy wurden analog zu den Kaonen analysiert und die mittlere Multiplizität pro Rapiditätsbin dN/dy bestimmt. Die totale mittlere Multiplizität der negativ geladenen Pionen <pi-> wurde durch Summation des dN/dy Spektrums und eine Extrapolation auf die volle 4pi-Abdeckung mit Hilfe eine Doppel-Gaußfits bestimmt. Die Ergebnisse werden im Detail diskutiert und mit verschiedenen Modellrechnungen verglichen. Mikroskopische Modelle wie URQMD und HSD beschreiben nicht die gesamte Komplexität von Pb+Pb Kollisionen. Insbesondere die Produktion von positiv geladenen Kaonen, die den Hauptanteil der produzierten Strange-Quarks ausmachen, wird von den beiden Modellen nicht reproduziert. Eine gute Beschreibung der Ergebnisse für geladene Kaonen in zentralitätsselektierten Pb+Pb Kollisionen erzielt das Core-Corona-Modell. Es beschreibt diese Kollisionen als Mischung aus einer Hoch-Dichte-Region mehrfach kollidierender Nukleonen (Core) und praktisch unabhängig von einander stattfindenden Nukleon-Nukleon-Stößen (Corona). Diese mit einem Glauber-Modell berechnete Mischung aus Core und Corona führt zu einer monotonen Entwicklung von peripheren zu mehr und mehr zentralen Kollisionen. Ein detaillierter Ansatz bestimmt das Ensemblevolumen aus der Perkolation elementarer Cluster. Im Perkolationsmodell bestehen alle Cluster aus verschmelzenden Strings die statistisch zerfallen. Die jeweiligen Volumen der Cluster bestimmen die kanonische Strangeness-Unterdrückung. Das Modell beschreibt die Systemgrößenabhängigkeit der gemessenen Daten bei der höchsten SPS und den RHIC Energien. Bei 40A GeV bewegt sich die Zentralitätsabhängigkeit der relativen Strangeness Produktion weg von der bei höheren Energien beobachteten frühen Sättigung hin zu einer linearen Abhängigkeit wie bei SIS und AGS Energien. Diese Änderung der Systemgrößenabhängigkeit findet in der Energieregion statt, in der das Maximum des K+ zu pi Verhältnisses in zentralen Pb+Pb Kollisionen beobachtet wurde. Zukünftige Messungen mit Schwerionen-Strahlen mit einer Energie in der Nähe dieses Maximums an den Beschleunigern RHIC und FAIR sowie durch das NA49 Nachfolgeexperiment NA61 mit verbesserten Detektoren werden unser Verständnis von Quark Materie und dessen Reflektion in der modernen Schwerionenphysik und -theorie weiter verbessern.
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Metadaten
Author:Peter Dinkelaker
URN:urn:nbn:de:hebis:30-67580
Referee:Reinhard Stock
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/11/20
Year of first Publication:2009
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2009/11/06
Release Date:2009/11/20
Tag:CERN SPS; Schwerionenkollisionen
CERN SPS; Heavy Ion Collisions
SWD-Keyword:Bleikern ; CERN; Elementarteilchenphysik ; Kaon ; Multiplizität ; Pion ; Quark-Gluon-Plasma ; Teilchenerzeugung
HeBIS PPN:218241887
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
PACS-Classification:14.40.Aq pi, <i>K</i>, and eta mesons
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $