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Alexander Albert Wetzler

• For this thesis photon and pi0 spectra in Gold-Gold-collisions at an energy of sqrt(s_NN) = 62 GeV were measured using the STAR-experiment at RHIC. Heavy ion collisions allow to study strongly interacting matter under extreme condiditons in the laborartory. Nuclear matter is strongly compressed and heated. Theories predict in a system of strongy interacting matter at high temperature and pressure a phase transition from hadronic matter, in which quarks are bound into hadrons, to a plasma of free quarks and gluons (QGP). To study the properties of this created medium, a number of different observables is available. One possibility to determine the temperature of such a system, is to measure the photon emission from the medium. The experimental difficulty is that there are more mechanisms producing photons than just the thermal production. Photons are produced in hard scattering processes or can be the result of the interaction of hard partons with the medium. According to theoretical calculations the photon yield from hard processes exceeds the thermal production for transverse momenta above 3 GeV/c. Photons from hard processes and thermal photons are referred to as direct photons, because they are produced inside of the medium. The largest part of the photons below pt=3GeV/c, however, comes from electromagnetic decays of hadrons in the final state of the collision. The largest fraction comes from the pi0- and the eta-mesons. Their contribution to the photon spectra can be determined by measuring the spectra of these decaying particles and calculating the resulting, corresponding photon spectra. The experimental difficulty is to measure these spectra to an accuracy of a few percent because the decay photons make up about 90% of all photons in the relevant phase space region. The STAR-experiment provides different detectors to measure photons and pi0-mesons. The primary detector for this kind of measurement are the electromagnetic calorimeters. However, the analysis described in this thesis uses the time projection chamber (TPC). Because photons don't carry electric charge and the TPC is only sensitive to charged particles, a conversion of the photon into an electron-positron-pair is required. This happens inside the electromagnetic fields of the nuclei and the electrons in the atomic shell of the detector material in the experimental setup of STAR. The resulting electron and positron tracks are measrued in the TPC. In chapter 3 the reconstruction of conversions from the measured tracks is described. Chapter 4 discusses the efficiency of the measurement, which is determined with a Monte-Carlo-Method, and the uncertainties of the correction. Chapter 5 presents the results of the analysis. The data set, on which the analysis is based, consists of Gold-Gold-Collisions an a center of mass energy of sqrt(s_NN)=62GeV. The selection criteria for individual events during data taking and during the analysis are explained. The data set is divided into four centrality selection classes. The first result are the transverse momentum and rapidity spectra of inclusive photons for all four centralities and the whole data set. Pi0-spectra versus transverse momentum for the four centralities and the whole data set are also shown. The pi0-spectra are compared to the spectra of pi0-mesons measured by the PHENIX-Collaboration at the same energy and with pi0-spectra measured by STAR at full RHIC energy. In addition a comparison to charged pi+- and pi--spectra is shown, which were also measured by the STAR collaboration. It is attempted to extract the fraction of direct photons by dividing the spectra of inclusive photons by the spectra of simulated decay photons. In these simulations pi0- and eta-spectra are modeled based on the pi+- and pi--spectra. Studying the uncertainties of this procedure shows that the size of the uncertainties is of the same magnitude as the signal of direct photons. Also the systematic uncertainties of the pi+- and pi--spectra are similar. Therefore the measurement of direct photon spectra is not possible. In chapter 6 possibilities are described to reduce the large systematic uncertainties. In addition it is discussed, what could be done with an already existing data set at full RHIC energy and how the addition of a dedicated converter during a future data taking period could reduce the systematic errors. The result of this thesis are inklusive photon and pi0 spectra. The systematic uncertainties were extensively studied. It is described, which enhancements are necessary to provide the perspective for measuring direct photons in the area of 1 to 3 GeV/c transverse momentum.
• In dieser Arbeit wurden die Erzeugungsraten von Photonen und Pi0-Mesonen in Gold-Gold-Kollisionen bei einer Schwerpunktenergie von Wurzel(s_NN)=62GeV mit dem STAR-Experiment am RHIC gemessen. Schwerionenkollisionen erlauben es, im Labor stark wechselwirkende Materie unter extremen Bedingungen zu studieren. Dabei wird Kernmaterie stark komprimiert und erhitzt. Theoretischen Vorhersagen zufolge soll in einem System stark wechselwirkender Materie bei hoher Temperatur und Dichte ein Phasenübergang von hadronischer Materie, in der Quarks in Hadronen gebunden sind, zu einem Plasma freier Quarks und Gluonen (QGP) stattfinden. Um die Eigenschaften des erzeugten Mediums zu untersuchen, steht eine ganze Reihe von Observablen zur Verfügung. Eine Möglichkeit, die Temperatur eines solchen Systems zu messen, ist die Messung der Photonenemission des erzeugten Mediums. Die experimentelle Schwierigkeit dieser Messung ist, dass es neben der thermischen Photonenproduktion noch andere Produktionsmechanismen gibt. Photonen können in harten Streuprozessen oder durch Wechselwirkung harter Partonen mit dem Medium produziert werden. Gemäß theoretischer Berechnungen übersteigen sie bei voller RHIC Energie die thermische Produktion bei Transversalimpulsen (pt) über 3GeV/c. Photonen aus harten Prozessen und thermische Photonen nennt man auch direkte Photonen, da sie innerhalb des Mediums erzeugt werden. Der größte Teil der Photonen unter pt=3GeV/c stammt aber vom elektromagnetischen Zerfall von Hadronen im Endzustand der Kollision. Den höchsten Anteil haben dabei Pi0- und Eta-Mesonen. Deren Beitrag zum Photonenspektrum lässt sich bestimmen, indem man die Spektren dieser zerfallenden Teilchen misst und die daraus resultierenden Photonenspektren berechnet. Die experimentelle Schwierigkeit ist die nötige Präzision der Messung auf wenige Prozent, da die Zerfallsphotonen im relevanten Bereich etwa 90% aller erzeugten Photonen ausmachen. Das STAR-Experiment stellt verschiedene Detektoren zur Verfügung, um Photonen und Pi0-Mesonen zu messen. Die primären Detektoren dafür sind die elektromagnetischen Kalorimeter. Die in dieser Arbeit beschriebene Analyse nutzt aber die Spurendriftkammer (TPC), die Spuren elektrisch geladener Teilchen misst. Da Photonen nicht elektrisch geladen sind, ist eine vorherige Konversion des Photons in ein Elektron-Positron-Paar notwendig. Dies passiert innerhalb des elektromagnetischen Feldes der Atomkerne oder der Hüllenelektronen des Detektormaterials im experimentellen Aufbau von STAR. Die resultierenden Elektron- und Positronspuren werden in der Spurendriftkammer gemessen. Kapitel 3 der Arbeit beschreibt, wie diese Konversionen aus den gemessenen Spuren rekonstruiert werden. Kapitel 4 erklärt die Bestimmung der Effizienz der Photonenmessung mittels einer Monte-Carlo-Methode und die Unsicherheiten es bei der Korrektur. In Kapitel 5 werden die eigentlichen Resultate der Analyse vorgestellt. Der Datensatz, auf dem die Analyse basiert, besteht aus Gold-Gold-Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von Wurzel(s_NN)=62GeV. Die Selektionskriterien der einzelnen Ereignisse bei der Datennahme und der Analyse und die Einteilung in vier verschiedene Zentralitätsklassen werden erklärt. Gezeigt werden die Transversalimpuls- und Rapiditätsspektren von inklusiven Photonen und die Transversalimpulsspektren für pi0-Mesonen für alle vier Zentralitäten sowie den gesamten Datensatz. Die Resultate für Pi0-Mesonen werden mit Resultaten der PHENIX Kollaboration bei der gleichen Energie und mit Resultaten der STAR Kollaboration bei voller RHIC-Energie verglichen. Des weiteren wird ein Vergleich mit den Spektren geladener Pi+- und Pi--Mesonen gezeigt, die auch von der STAR Kollaboration gemessen wurden. Es wird versucht, den Anteil direkter Photonen zu bestimmen, indem die Spektren inklusiver Photonen durch Spektren simulierter Zerfallsphotonen geteilt werden. In diesen Simulationen werden Pi0- und Eta-Spektren auf Basis der Pi+- und Pi--Spektren modelliert. Die Untersuchung der Ungenauigkeiten, die durch Unsicherheiten in der Modellierung der Konversionsrate verursacht werden, ergeben systematische Fehler, die von der gleichen Größenordnung wie das Signal der direkten Photonen ist. Auch die systematischen Fehler der Pi+- und Pi--Spektren sind ähnlich. Daher ist eine Messung direkter Photonen nicht möglich. Im 6. Kapitel wird jedoch kurz erläutert, wie man die großen systematischen Fehler der Analyse reduzieren könnte. Darüber hinaus wird diskutiert, was mit einem bereits verfügbaren Datensatz bei voller RHIC-Energie möglich sein wird und was bei einer zukünftigen Datennahme ein spezieller Photonkonverter zur Reduktion der Fehler beitragen könnte. Das Resultat dieser Arbeit sind Inklusive Photonen- und Pi0-Spektren. Die systematischen Fehler wurden ausgiebig studiert. Es wird dargelegt, welche Verbesserungen nötig sind, um die Perspektive für eine Messung direkter Photonen im Bereich von 1<pt<3GeV/c zu eröffnen.