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A new SPS programme
(2006)
A new experiemntal program to study hadron production in hadron-nucleus and nucleus-nucleus collisions at the CERN SPS has been recently proposed by the NA49-future collaboration. The physics goals of the program are: (i) search for the critical point of strongly interacting matter and a study of the properties of the onset of deconfinemnt in nucleus-nucleus collisions, (ii) measurements of correlations, fluctuations and hadron spectra at high transverse momentum in proton-nucleus collisions needed as for better understanding of nucleus-nucleus results, (iii) measurements of hadron production in hadron-nucleus interactions needed for neutrino (T2K) and cosmic-ray (Pierre Auger Observatory and KASCADE) expriments. The physics of the nucleus-nucleus program is reviewed in this presentation.
A new technique for precision ion implantation has been developed. A scanning probe has been equipped with a small aperture and incorporated into an ion beamline, so that ions can be implanted through the aperture into a sample. By using a scanning probe the target can be imaged in a non-destructive way prior to implantation and the probe together with the aperture can be placed at the desired location with nanometer precision. In this work first results of a scanning probe integrated into an ion beamline are presented. A placement resolution of about 120 nm is reported. The final placement accuracy is determined by the size of the aperture hole and by the straggle of the implanted ion inside the target material. The limits of this technology are expected to be set by the latter, which is of the order of 10 nm for low energy ions. This research has been carried out in the context of a larger program concerned with the development of quantum computer test structures. For that the placement accuracy needs to be increased and a detector for single ion detection has to be integrated into the setup. Both issues are discussed in this thesis. To achieve single ion detection highly charged ions are used for the implantation, as in addition to their kinetic energy they also deposit their potential energy in the target material, therefore making detection easier. A special ion source for producing these highly charged ions was used and their creation and interactions with solids of are discussed in detail.
The transverse momentum dependence of the anisotropic flow v_2 for pi, K, nucleon, Lambda, Xi and Omega is studied for Au+Au collisions at sqrt s_NN = 200 GeV within two independent string-hadron transport approaches (RQMD and UrQMD). Although both models reach only 60% of the absolute magnitude of the measured v_2, they both predict the particle type dependence of v_2, as observed by the RHIC experiments: v_2 exhibits a hadron-mass hierarchy (HMH) in the low p_T region and a number-of-constituent-quark (NCQ) dependence in the intermediate p_T region. The failure of the hadronic models to reproduce the absolute magnitude of the observed v_2 indicates that transport calculations of heavy ion collisions at RHIC must incorporate interactions among quarks and gluons in the early, hot and dense phase. The presence of an NCQ scaling in the string-hadron model results suggests that the particle-type dependencies observed in heavy-ion collisions at intermediate p_T are related to the hadronic cross sections in vacuum rather than to the hadronization process itself, as suggested by quark recombination models.
The elliptic flow for Lambda hyperons and K0s mesons was measured by the NA49 experiment in semicentral Pb+Pb collisions at 158A GeV. The standard method of correlating particles with an event plane has been used. Measurements of v2 near mid-rapidity are reported as a function of centrality, rapidity and transverse momentum. Elliptic flow of Lambda and K0s particles increases both with the impact parameter and with the transverse momentum. It is compared with v2 for pions and protons as well as with various model predictions. The NA49 results are compared with data from NA45/CERES and STAR experiments.
Nuclear matter, that takes the form of protons and neutrons under normal conditions, is subject to a phase transition at high temperatures and densities, liberating the quarks and gluons that are usually confined in nucleons and creating a medium of free partons: the Quark-Gluon-Plasma. It is generally believed that this state of matter can be created in relativistic collisions of heavy nuclei. The study of the medium created in these collisions is the subject of heavy-ion physics. One topic within this field are particles with high transverse momentum, that are created in initial hard collisions between partons of the incoming nuclei. The energetic partons lose energy due to interactions with the medium before they fragment into a jet of hadrons. Due to momentum conservation, these jets are usually created as back-to-back pairs, or less commonly as three-jet or photon-jet events, where a single jet is balanced by a hard photon. The energy loss can be measured using correlations between particles with high transverse momenta. A trigger particle is selected with very high transversemomentum and the distribution of the azimuthal angle of associated particles in the same event is studied, relative to the azimuth of the trigger particle.These azimuthal correlations show a peak for opening angles around 0 from particles selected from the same jet, and a second peak at opening angles around 180 degrees from back-to-back di-jets. Random combinations with the underlying event generate a flat background, extending over the full range of opening angles. The STAR experiment observed a modification of these correlations in central Au+Au collisions, where trigger particles with 4GeV < pT(trigger) < 6GeV and associated particles with 2GeV < pT(trigger) < 4GeV were selected. A strong suppression has been observed for away-side correlations in central Au+Au collisions, relative to p+p, d+Au and peripheral Au+Au data. This can be explained by assuming two partons going in opposite directions, where at least one has to travel a large distance through the medium, causing energy loss and effectively removing the event from the analysis. For near-side correlations, no significant modification has been observed, which can be explained by surface emission, assuming that the observed jets have travelled only a short distance in themedium, not leaving enough time for interactions with the medium. Both trigger- and associated particles in a correlation analysis with charged hadrons are subject to modifications due to the medium. This can be avoided by using photon-jet events instead of di-jets, because the photon does not interact with the medium and therefore provides the best available measure of the properties of the opposite jet in the presence of the underlying event. This thesis studies azimuthal correlations between regions of high energy deposition in the electro-magnetic calorimeter as trigger- and charged tracks as associated particles. The data sample had been enriched by online event selection, allowing for the selection of trigger particles with a transverse energy of more than 10GeV and associated particles with more than 2,3 or 4 GeV. The away-side yield per trigger particle is strongly suppressed like in correlations between charged particles. The near-side yield is also reduced by about a factor two, clearly different from charged correlations. The trigger particles are a mixture of photon pairs from the decays of neutral pions and single photons, mainly from photon-jet events, with small contributions from other hadron decays and fragmentation photons. Pythia simulations predict a ratio of neutral pions to prompt photons of 3.5:1 in p+p collisions with the same cuts as in the presented analysis. Single particle suppression further reduces this ratio in central Au_Au collisions, down to about 0.8:1, indicating that the majority of trigger particles in central Au+Au collisions are prompt photons. The increasing fraction of prompt photon triggers without an accompanying jet and therefore zero associated yield reduces the average yield per trigger particle. The magnitude of the observed effect agrees well with the expectation from Pythia simulations and the assumption of a single particle suppression by a factor 4-5. An analysis of away-side correlations is more difficult, because both photon-jet and di-jet events contribute. The aim is the separation of these two contributions. As a clear separation is not possible with the available dataset, a comparison with two different scenarios is given, where a surprisingly small suppression by only a factor of about 5 is favoured for both dijet- and photon-jet-correlations. A separate measurement of both contributions will be possible by a shower-shape analysis with the EM calorimeter or a comparison with charged correlations in the same kinematic region.
Event-by-event fluctuations of the net baryon number and electric charge in nucleus-nucleus collisions are studied in Pb+Pb at SPS energies within the HSD transport model. We reveal an important role of the fluctuations in the number of target nucleon participants. They strongly influence all measured fluctuations even in the samples of events with rather rigid centrality trigger. This fact can be used to check different scenarios of nucleus-nucleus collisions by measuring the multiplicity fluctuations as a function of collision centrality in fixed kinematical regions of the projectile and target hemispheres. The HSD results for the event-by-event fluctuations of electric charge in central Pb+Pb collisions at 20, 30, 40, 80 and 158 A GeV are in a good agreement with the NA49 experimental data and considerably larger than expected in a quark-gluon plasma. This demonstrate that the distortions of the initial fluctuations by the hadronization phase and, in particular, by the final resonance decays dominate the observable fluctuations.
The freeze out of the expanding systems, created in relativistic heavy ion collisions, is discussed. We combine kinetic freeze out equations with Bjorken type system expansion into a unified model. The important feature of the proposed scenario is that physical freeze out is completely finished in a finite time, which can be varied from 0 (freeze out hypersurface) to infinit. The dependence of the post freeze out distribution function on the freeze out time will be studied. Model allows analytical analyses for the simplest systems such as pion gas. We shall see that the basic freeze out features, pointed out in the earlier works, are not smeared out by the expansion of the system. The entropy evolution in such a scenario is also studied.
We demonstrate the occurrence of canonical suppression associated with the conservation of an U(1)-charge in current transport models. For this study a pion gas is simulated within two different transport approaches by incorporating inelastic and volume-limited collisions pi pi leftrightarrow K bar-K for the production of kaon pairs. Both descriptions can dynamically account for the suppression in the yields of rare strange particles in a limited box, being in full accordance with a canonical statistical description.
The D-meson spectral density at finite temperature is obtained within a self-consistent coupled-channel approach. For the bare meson–baryon interaction, a separable potential is taken, whose parameters are fixed by the position and width of the Λc(2593) resonance. The quasiparticle peak stays close to the free D-meson mass, indicating a small change in the effective mass for finite density and temperature. Furthermore, the spectral density develops a considerable width due to the coupled-channel structure. Our results indicate that the medium modifications for the D-mesons in nucleus-nucleus collisions at FAIR (GSI) will be dominantly on the width and not, as previously expected, on the mass.
We propose to measure azimuthal correlations of heavy-flavor hadrons to address the status of thermalization at the partonic stage of light quarks and gluons in high-energy nuclear collisions. In particular, we show that hadronic interactions at the late stage cannot significantly disturb the initial back-to-back azimuthal correlations of DDbar pairs. Thus, a decrease or the complete absence of these initial correlations does indicate frequent interactions of heavy-flavor quarks and also light partons in the partonic stage, which are essential for the early thermalization of light partons.
We propose to measure correlations of heavy-flavor hadrons to address the status of thermalization at the partonic stage of light quarks and gluons in high-energy nuclear collisions, shown on the example of azimuthal correlations of D-Dbar pairs. We show that hadronic interactions at the late stage can not disturb these correlations significantly. Thus, a decrease or the complete absence of these initial correlations indicates frequent interactions of heavy-flavor quarks in the partonic stage. Therefore, early thermalization of light quarks is likely to be reached. PACS numbers: 25.75.-q
In der vorliegenden Dissertation werden mit einem chiralen SU(3)-Modell die thermodynamischen Eigenschaften von stark wechselwirkender hadronischer Materie und die mikroskopischen Medium-Eigenschaften von Hadronen bei hohen Temperaturen und hohen Baryonen-Dichten untersucht. Das verwendete chirale Modell ist ein erweitertes sigma-omega-Modell in Mittlerer-Feld-Näherung (Mean-Field) mit baryonischen und mesonischen effektiven Freiheitsgraden; es basiert auf spontan gebrochener chiraler Symmetrie und Skaleninvarianz. Das Phasenübergangsverhalten des chiralen Modells wird systematisch untersucht und dabei gezeigt, dass es signifikant von den Kopplungen zusätzlicher schwererer hadronischer Freiheitsgrade ('Resonanzen') abhängt. Durch entsprechende Ankopplung des niedrigsten baryonischen Dekupletts kann ein Phasendiagramm in qualitativer Übereinstimmung mit aktuellen Vorhersagen der Gitter-QCD erreicht werden. Alternativ wird die Ankopplung einer schweren baryonischen Test-Resonanz untersucht, welche effektiv für das Spektrum der schweren hadronischen Zustände steht. Hier ergibt sich für einen bestimmten Bereich der Kopplungen sogar eine quantitative Übereinstimmung zu den Gitter-QCD-Vorhersagen bei gleichzeitig guter Beschreibung der Grundzustandseigenschaften von Kernmaterie. Für diese Zustandsgleichung werden Vorhersagen (innerhalb der Modellannahmen) zu geplanten Experimenten gemacht -- konkret wird gezeigt, dass der Phasenübergangsbereich für das CBM Experiment des geplanten Beschleunigerzentrums FAIR an der GSI Darmstadt experimentell zugänglich ist. Weiter wird das chirale Modell auf die Beschreibung von experimentellen Teilchenzahlverhältnissen (Yield-Ratios) aus Schwerionen-Kollisionen von AGS, SPS und RHIC angewendet. Studiert werden Parametersätze mit stark unterschiedlichen Phasendiagrammen aufgrund unterschiedlicher Ankopplung des baryonischen Dekupletts sowie ein ideales Hadronengas. Bei den niedrigen und mittleren Kollisionsenergien zeigt sich eine verbesserte Beschreibung durch die chiralen Parametersätze im Vergleich zum idealen Hadronengas, besonders deutlich für Parametersätze mit Phasendiagramm ähnlich der Vorhersage aus der Gitter-QCD. Die Wechselwirkung im chiralen Modell führt zu Medium-Modifikationen der chemischen Potentiale und der Hadronenmassen. Die resultierenden Ausfrierparameter mu und T sind deshalb gegenüber dem nichtwechselwirkenden Fall signifikant verändert. An den Ausfrierpunkten zeigen sich deutliche Abweichungen der effektiven Massen von den Vakuummassen (5 bis 15 %) und des effektiven baryo-chemischen Potentials vom ursprünglichen Wert (bis zu 20 %). Ferner werden universelle Kriterien für das Ausfrieren diskutiert und isentrope Expansion zu den Ausfrierpunkten untersucht, wo sich eine starke Abhängigkeit der Trajektorien von der Zustandsgleichung ergibt. Schließlich wird der Einfluss des Dilaton-Felds (Gluonkondensat) auf das Phasenübergangsverhalten bei mu=0 studiert, indem das Gluonkondensat an die Dekuplett-Baryonen gekoppelt wird. Es zeigt sich, dass dadurch eine Restauration der Skaleninvarianz im Modell möglich wird, die gleichzeitig auch eine vollständige Restauration der chiralen Symmetrie bewirkt. Die Restauration der Skaleninvarianz erfolgt erst bei Temperaturen, die oberhalb der chiralen Restauration (im nichtseltsamen Sektor) liegen. Diese Modellerweiterung ermöglicht es, zukünftig das Phasenübergangsverhalten -- Restauration von chiraler Symmetrie und Skaleninvarianz -- auch bei nichtverschwindenden Baryonendichten zu untersuchen. Die Resultate dieser Arbeit zeigen die Wichtigkeit der schweren hadronischen Zustände, der Resonanzen, für das QCD-Phasendiagramm. Für die Zukunft ist eine Ankopplung des gesamten hadronischen Massenspektrums an das Modell erstrebenswert, wie sich sowohl aus der Untersuchung der Modellerweiterung um eine Test-Resonanz als auch aus der Anwendung auf experimentelle Teilchenzahlverhältnisse ergibt.
Elliptic flow analysis at RHIC with the Lee-Yang Zeroes method in a relativistic transport approach
(2006)
The Lee-Yang zeroes method is applied to study elliptic flow (v_2) in Au+Au collisions at sqrt s =200 A GeV, with the UrQMD model. In this transport approach, the true event plane is known and both the nonflow effects and event-by-event v_2 fluctuations exist. Although the low resolutions prohibit the application of the method for most central and peripheral collisions, the integral and differential elliptic flow from the Lee-Yang zeroes method agrees with the exact v_2 values very well for semi-central collisions.
Ultrarelativistische Schwerionenkollisionen bieten die Möglichkeit stark wechselwirkende Materie unter hohe Energiedichten zu versetzen und auf diese Weise ihre Eigenschaften zu untersuchen. Werden in den Reaktionen ausreichend große Temperaturen und Baryondichten erreicht, so erwartet man einen Phasenübergang von der hadronischen zu der partonischen Phase, dem Quark Gluon-Plasma. Das QGP ist ein Materiezustand, in dem die Quarks nicht mehr wie in der gewöhnlichen Materie in Hadronen gebunden sind, sondern als quasi-freie Teilchen neben den Gluonen vorliegen. Eines der Hauptziele der Schwerionenphysik besteht darin, solch ein theoretisch vorhergesagtes QGP experimentell zu erzeugen und den damit verbundenen Phasenübergang zu untersuchen. Die Produktion von seltsamen Teilchen stellt dabei eine grundlegende Observable dar, durch die Rückschlüsse auf den Reaktionsverlauf einer Schwerionenkollision gezogen werden können. In dieser Arbeit wurde die Produktion der neutralen Kaonen in Pb+Pb Reaktionen bei verschiedenen Energien untersucht. Die neutralen Kaonen können über die schwach zerfallenden K0S gemessen werden und stellen gemeinsam mit den geladenen Kaonen die in einer Schwerionenkollision am häufgsten erzeugten seltsamen Teilchen dar. Die Messungen der Pb+Pb Reaktionen wurden mit Hilfe des NA49 Experiments am Europäischen Zentrum für Teilchenphysik, dem CERN, durchgeführt. Bei diesem Experiment handelt es sich um ein magnetisches Spektrometer, das sich durch seine große Akzeptanz für geladene Hadronen auszeichnet und den Anforderungen hoher Teilchenmultiplizitäten, die insbesondere in zentralen Pb+Pb Reaktionen bei der maximalen SPS-Strahlenergie von 158A GeV auftreten, genügt. Im Rahmen des NA49 Energie-Scan Programmes wurden Schwerionenkollisionen neben einer Strahlenergie von 158A GeV auch bei 20A, 30A, 40A und 80A GeV gemessen. Die Vielzahl an experimentellen Daten ermöglicht ein detailliertes Studium der Energieabhängigkeit der hadronischen Endzustandsverteilung hochrelativistischer Schwerionenkollisionen. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten neutralen Teilchen K0S können anhand ihrer charakteristischen V0-Zerfallstopologie, welche sich bei ihrem schwachen Zerfall in ein Pi+Pi- - Paar ergibt, identifiziert werden. Durch die gemessenen Zerfallsprodukte wurde in der Analyse die invariante Masse der V0-Teilchen in differentiellen Phasenraum-Bins rekonstruiert. Mittels geeigneter QualitÄatskriterien konnte dabei der Untergrund aus zufälligen Kombinationen von primären Spuren, falschen Kombinationen mit sekundären Spuren, sowie Lambda s und Antilambda s von der K0S-Analyse weitgehend unterdrückt werden. Um auf die dadurch verursachten Verluste wahrer K0S, genauso wie auf jene Verluste, die aufgrund der geometrischen Akzeptanz des Detektors und weiterer Ineffizienzen auftreten, korrigieren zu können, wurde das Embedding herangezogen. Mit Hilfe dieses Verfahrens konnten die Korrekturfaktoren für die verschiedenen Phasenraumbereiche ermittelt und auf die jeweiligen Rohsignale angewendet werden. Der systematische Fehler der korrigierten Teilchenspektren konnte durch eine Vielzahl systematischer Studien abgeschätzt werden. Dabei wurde ein grundlegender Fehler aufgedeckt, dessen Ursprung in der GSI Methode liegt. Da die GSI Methode bereits in der Datenrekonstruktion, auf der diese Analyse beruht, Verwendung findet und in Folge dessen eine Behebung dieses Fehlers im Rahmen dieser Diplomarbeit nicht möglich war, wurde für die Ermittlung der Endergebnisse stattdessen die Birmingham Methode verwendet. Es wurden die korrigierten transversalen Massenspektren sowie die Transversalimpuls-Spektren der K0S bei Midrapidity für die drei untersuchten Strahlenergien von 30A, 40A, und 158A GeV präsentiert. Des Weiteren wurden die Rapiditätsspektren für die verschiedenen Energien gezeigt, aus denen wiederum die entsprechende totale Multiplizität <K0S> ermittelt werden konnte. Deren Energieabhängigkeit sowie die des inversen Steigungsparameters T wurden diskutiert und mit den Ergebnissen der geladenen Kaonen verglichen. Die gemessenen K0S-Rapiditätsspektren und totalen Multiplizitäten lagen zwar bei allen untersuchten Energien systematisch niedriger als die entsprechend gemittelten der geladenen Kaonen, haben jedoch, genauso wie der inverse Steigungs- parameter T, eine qualitativ ähnliche Energieabhängigkeit aufgezeigt. Weiterhin wurde das K0 S-Rapiditätsspektrum für 158A GeV mit denen anderer K0S-Analysen verglichen. Dabei konnte eine ähnliche Abweichung wie im Vergleich zu den geladenen Kaonen festgestellt werden. Abschließend wurde noch die Energieabhängigkeit des Verhältnisses von Kaonen zu Pionen in dem Energiebereich von AGS bis hin zu RHIC untersucht. Dabei konnte eine ausgeprägte Struktur in der Energieabhängigkeit des <Ki>/Pi-Verhältnisses beobachtet werden, welche als ein Indiz für einen Phasenübergang zu einem Quark Gluon-Plasma angesehen werden kann.
Um Signaturen für die Erzeugung eines Quark-Gluon Plasmas zu untersuchen, wurden im Rahmen eines Energie-Scan Programmes mit dem Experiment NA49 am CERN-SPS Beschleunigerring bei 5 unterschiedlichen Strahlenergien Schwerionenkollisionen untersucht. Eine Möglichkeit, Informationen über die raum-zeitliche Struktur einer solchen Kollision zu erhalten, ist durch die Untersuchung von Bose-Einstein-Korrelationen gegeben. Die Untersuchung der Energieabhängigkeit dieser Korrelationen ist Gegenstand dieser Arbeit. Um die Dynamik der Kollisionen zu studieren, wird die Analyse für die einzelnen Energien in Abhängigkeit des mittleren transversalen Impulses und der Paarrapidität durchgeführt. In der Arbeit werden zunächst die theoretischen Grundlagen zur Untersuchung von Schwerionenkollisionen mit Hilfe von Bose-Einstein-Korrelationen erarbeitet. Nach einer kurzen Darstellung des Experimentes NA49 folgt eine detaillierte Beschreibung der Datenselektion und der verwendeten Analyse-Methode. Die Ergebnisse werden im Rahmen eines Modells zur Beschreibung einer Teilchenquelle interpretiert.
The energy dependence of multiplicity fluctuations was studied for the most central Pb+Pb collisions at 20A, 30A, 40A, 80A and 158A GeV by the NA49 experiment at the CERN SPS. The multiplicity distribution for negatively and positively charged hadrons is significantly narrower than Poisson one for all energies. No significant structure in energy dependence of the scaled variance of multiplicity fluctuations is observed. The measured scaled variance is lower than the one predicted by the grand-canonical formulation of the hadron-resonance gas model. The results for scaled variance are in approximate agreement with the string-hadronic model UrQMD.
The interaction of T cells and antigen-presenting cells is central to adaptive immunity and involves the formation of immunological synapses in many cases. The surface molecules of the cells form a characteristic spatial pattern whose formation mechanisms and function are largely unknown. We perform computer simulations of recent experiments on geometrically repatterned immunological synapses and explain the emerging structure as well as the formation dynamics. Only the combination of in vitro experiments and computer simulations has the potential to pinpoint the kind of interactions involved. The presented simulations make clear predictions for the structure of the immunological synapse and elucidate the role of a self-organizing attraction between complexes of T cell receptor and peptide–MHC molecule, versus a centrally directed motion of these complexes.
We study the gluonic phase in a two-flavor color superconductor as a function of the ratio of the gap over the chemical potential mismatch, Δ/δμ. We find that the gluonic phase resolves the chromomagnetic instability encountered in a two-flavor color superconductor for Δ/δμ<2. We also calculate approximately the free energies of the gluonic phase and the single plane-wave LOFF phase and show that the former is favored over the latter for a wide range of coupling strengths.