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Search for upsilons in heavy-ion collisions with the STAR detector (2005)

Thorsten Kollegger

Die Struktur der uns umgebenden Materie sowie die zwischen ihren Bestandteilen wirkenden Kräfte waren schon immer eine der zentralen wissenschaftlichen Fragestellungen. Nach den gegenwärtigen Erkenntnissen ist die uns umgebende Materie aus einigen wenigen Elementarteilchen aufgebaut; sechs Quarks und sechs Leptonen. Zwischen ihnen wirken vier fundamentale Kräfte; die starke, die schwache, die elektromagnetische und die Gravitationskraft. Dominierende Kraft zwischen Quarks ist auf kleinen Skalen, wie im Inneren von Nukleonen, die starke Kraft. Die sie beschreibende Theorie ist die Quantum Chromo Dynamic (QCD). Eine besondere Eigenschaft der QCD ist die Vorhersage, dass Quarks nur in gebundenen Zuständen auftreten, entweder als Paar (Mesonen) oder als Kombination aus drei Quarks (Baryonen). Tatsächlich wurden bisher keine freien Quarks experimentell gefunden. Dieses Phänomen wird als ?confinement? bezeichnet. Es stellt sich die Frage, ob es möglich ist, einen Materiezustand zu erzeugen in welchem sich die Quarks in einem ausgedehnten Volumen wie freieTeilchen verhalten. Tatsächlich sagen theoretische Berechnungen einen solchen Zustand, das Quark-Gluon-Plasma, für sehr hohe Temperaturen und/oder Dichten voraus. Ultrarelativistische Schwerionenkollisionen sind die einzige derzeit bekannte Möglichkeit, die nötigen Temperaturen und Dichten im Labor zu erreichen. Erschwert wird die Interpretation des hierbei erzeugten Materiezustandes durch die Tatsache, dass im Experiment nur der hadronische Endzustand der Kollision beobachtet werden kann, auf Grund der sehr kurzen Zeitskala jedoch nicht die erzeugte Materie selbst. Trotzdem wurden inzwischen einige Observablen gemessen, die einen Rückschluss auf den Materiezustand in den frühen Phasen der Kollision zulassen. Die kombinierte Information legt die Bildung eines ?deconfinten? Zustandes nahe. Eine dieser Proben ist die Produktion von schweren Quarkonia, d.h. Mesonen, die aus charm-anticharm (bzw. bottom-antibottom) Quarkpaaren bestehen. Wie in Kapitel 2 näher erläutert, kann von ihrer Produktion möglicherweise auf die in der Kollision erreichte Temperatur geschlossen werden. Das bisherige experimentelle Programm konzentrierte sich auf die Messung des J/Ã Mesons, dem 1S Zustandes des charm - anticharm Systems. Wie von der Theorie vorhergesagt, wurde eine Unterdrückung seiner Produktion in Schwerionenkollisionen relativ zur Produktion in Proton-Proton-Kollisionen beobachtet, z.B. vom Experiment NA50 am SPS Beschleuniger des Europäischen Zentrums für Teilchenphysik CERN, wie in Abbildung 2.2 gezeigt.Die Deutung dieser Meßdaten ist jedoch umstritten. Neben einer Interpretation im Rahmen des oben beschriebenen Modells können die Daten sowohl von hadronischen Modellen als auch von statistischen Hadronisierungsmodellen, die eine Bildung des cc Zustandes nicht in den initialen Partonkollisionen, sondern erst beim ?Ubergang zum hadronischen Endzustand annehmen, beschrieben werden. Eine Möglichkeit, einzelne Modelle zu falsifizieren bzw. einige der Modellparameter weiter einzuschränken, besteht in der Messung anderer Quarkonia Zustände als dem J/Ã Meson. Hier wären zum einen die anderen Zustände der cc Familie zu nennen, z.B. das Âc(1P). Dieses ist jedoch durch seine Zerfallskanäle experimentell nur schwer nachzuweisen. Eine andere Möglichkeit bietet die Messung von Bindungszuständen zwischen bottom Quarks. Das bb System hat durch die grössere Massendifferenz zwischen dem ersten Bindungszustand, dem ?(1S), und der für die Erzeugung zweier Hadronen mit jeweils einem bottom und einem leichten Quark, wesentlich mehr Zustände als das cc System. Experimentell sind durch den Zerfallskanal in zwei Leptonen insbesondere die Upsilon gut nachzuweisen.Die Messung von Upsilons in ultrarelativistischen Schwerionenkollisionen ist jedoch experimentell äusserst herausfordernd. Durch die große Masse von circa 10 GeV/c2 ist die Produktionswahrscheinlichkeit sehr klein im Vergleich zu leichteren Teilchen, zum Beispiel dem nur 3.14 GeV/2 schwerem J/Ã. Der im Jahr 2000 in Betrieb genommene Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC, siehe Kapitel 3.1) des Brookhaven National Laboratories (BNL) auf Long Island in der Nähe vonNew York erreicht zum ersten Mal eine ausreichend grosse Schwerpunktsenergie und Luminosit ät, welche eine Upsilon Messung möglich erscheinen lassen. Die Entwicklung des experimentellen Programms zur Messung von Upsilons mit dem STAR Detektor am RHIC und erste Ergebnisse aus der Strahlzeit der Jahre 2003/2004 werden in dieser Arbeit beschrieben. Herzstück des STAR Detektors, der in Kapitel 3.2 näher beschrieben wird, ist eine Time Projection Chamber (TPC) welche die Rekonstruktion geladener Teilchen in einem grossen Phasenraumbereich bei mittlerer Rapidität erlaubt. In den Jahren 2001 bis 2005 wurde das Experiment um elektromagnetische Kalorimeter (BEMC, EEMC) erweitert, mit welchen zusätzlich die Energie von Photonen und Elektronen bestimmt werden kann. Die verschiedenen Detektoren des STAR Detektorsystems können in zwei, durch ihre mögliche Ausleserate definierte, Klassen eingeteilt werden. Ein Teil der Detektoren wird bei jedem RHIC Bunch Crossing ausgelesen, d.h. mit einer Frequenz von 9.3 MHz. Zu dieser Klasse der sogenannten Triggerdetektoren gehören unter anderem das schon erwähnte elektromagnetische Kalorimeter, der Central Trigger Barrel (CTB), die Zero Degree Calorimeter (ZDC) und die Beam-Beam Counter (BBC). Die Time Projection Chamber und einige andere Detektoren, wie z.B. der Silicon Vertex Tracker (SVT), können im Gegensatz dazu nur mit maximal 100 Hz ausgelesen werden.

Azimuthal anisotropy in Au+Au collisions at SNN=200GeV (2005)

J. Adams Jens Berger Thomas Dietel Thorsten Kollegger Jens Sören Lange Reinhard Stock et al. STAR Collaboration

The results from the STAR Collaboration on directed flow (v1), elliptic flow (v2), and the fourth harmonic (v4) in the anisotropic azimuthal distribution of particles from Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV are summarized and compared with results from other experiments and theoretical models. Results for identified particles are presented and fit with a blast-wave model. Different anisotropic flow analysis methods are compared and nonflow effects are extracted from the data. For v2, scaling with the number of constituent quarks and parton coalescence are discussed. For v4, scaling with v22 and quark coalescence are discussed.

Evidence for an exotic S=-2, Q=-2 baryon resonance in proton-proton collisions at the CERN SPS (2004)

Christopher Alt L. Betev Anja Billmeier Christoph Blume Roland Bramm P. Buncic Peter Dinkelaker Dominik Bernhard Flierl Marek Gazdzicki Stefan Kniege Thorsten Kollegger Christine Meurer Michael Kosta Mitrovski R. Renfordt Reinhard Stock Herbert Ströbele Alexander Albert Wetzler Jacek Zaranek et al. NA49 Collaboration

Results of resonance searches in the Xi - pi -, Xi - pi +, Xi -bar+ pi -, and Xi -bar+ pi + invariant mass spectra in proton-proton collisions at sqrt[s]=17.2 GeV are presented. Evidence is shown for the existence of a narrow Xi - pi - baryon resonance with mass of 1.862±0.002 GeV/c2 and width below the detector resolution of about 0.018 GeV/c2. The significance is estimated to be above 4.2 sigma . This state is a candidate for the hypothetical exotic Xi --3/2 baryon with S=-2, I=3 / 2, and a quark content of (dsdsu-bar). At the same mass, a peak is observed in the Xi - pi + spectrum which is a candidate for the Xi 03/2 member of this isospin quartet with a quark content of (dsusd-bar). The corresponding antibaryon spectra also show enhancements at the same invariant mass.

Event-wise <pt> fluctuations in Au-Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV (2005)

J. Adams Clemens Adler Jens Berger Thomas Dietel Dominik Bernhard Flierl Thorsten Kollegger Jens Sören Lange L. J. Ruan Reinhard Stock Christof Struck et al. STAR Collaboration

We present the first large-acceptance measurement of event-wise mean transverse momentum <pt> fluctuations for Au-Au collisions at nucleon-nucleon center-of-momentum collision energy sqrt[sNN] = 130 GeV. The observed nonstatistical <pt> fluctuations substantially exceed in magnitude fluctuations expected from the finite number of particles produced in a typical collision. The r.m.s. fractional width excess of the event-wise <pt> distribution is 13.7±0.1(stat) ±1.3(syst)% relative to a statistical reference, for the 15% most-central collisions and for charged hadrons within pseudorapidity range | eta |<1,2 pi azimuth, and 0.15 <= pt <= 2 GeV/c. The width excess varies smoothly but nonmonotonically with collision centrality and does not display rapid changes with centrality which might indicate the presence of critical fluctuations. The reported <pt> fluctuation excess is qualitatively larger than those observed at lower energies and differs markedly from theoretical expectations. Contributions to <pt> fluctuations from semihard parton scattering in the initial state and dissipation in the bulk colored medium are discussed.

Open charm yields in d+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV (2005)

J. Adams Jens Berger Thomas Dietel Thorsten Kollegger Jens Sören Lange Reinhard Stock et al. STAR Collaboration

Midrapidity open charm spectra from direct reconstruction of D0(D0-bar)-->K± pi ± in d+Au collisions and indirect electron-positron measurements via charm semileptonic decays in p+p and d+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV are reported. The D0(D0-bar) spectrum covers a transverse momentum (pT) range of 0.1<pT<3 GeV/c, whereas the electron spectra cover a range of 1<pT<4 GeV/c. The electron spectra show approximate binary collision scaling between p+p and d+Au collisions. From these two independent analyses, the differential cross section per nucleon-nucleon binary interaction at midrapidity for open charm production from d+Au collisions at BNL RHIC is d sigma NNcc-bar/dy=0.30±0.04(stat)±0.09(syst) mb. The results are compared to theoretical calculations. Implications for charmonium results in A+A collisions are discussed.

Azimuthal anisotropy and correlations at large transverse momenta in p+p and Au+Au collisions at sqrt[sNN] = 200 GeV (2004)

J. Adams Jens Berger Thomas Dietel Thorsten Kollegger Jens Sören Lange Reinhard Stock et al. STAR Collaboration

Results on high transverse momentum charged particle emission with respect to the reaction plane are presented for Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. Two- and four-particle correlations results are presented as well as a comparison of azimuthal correlations in Au+Au collisions to those in p+p at the same energy. The elliptic anisotropy v2 is found to reach its maximum at pt~3 GeV/c, then decrease slowly and remain significant up to pt ~ 7-10 GeV/c. Stronger suppression is found in the back-to-back high-pt particle correlations for particles emitted out of plane compared to those emitted in plane. The centrality dependence of v2 at intermediate pt is compared to simple models based on jet quenching.

Transverse-momentum dependent modification of dynamic texture in central Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV (2005)

J. Adams Jens Berger Thomas Dietel Thorsten Kollegger Jens Sören Lange Reinhard Stock et al. STAR Collaboration

Correlations in the hadron distributions produced in relativistic Au+Au collisions are studied in the discrete wavelet expansion method. The analysis is performed in the space of pseudorapidity (| eta | <= 1) and azimuth(full 2 pi ) in bins of transverse momentum (pt) from 0.14 <= pt <= 2.1GeV/c. In peripheral Au+Au collisions a correlation structure ascribed to minijet fragmentation is observed. It evolves with collision centrality and pt in a way not seen before, which suggests strong dissipation of minijet fragmentation in the longitudinally expanding medium.

Pion interferometry in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV (2005)

J. Adams Jens Berger Thomas Dietel Thorsten Kollegger Jens Sören Lange Reinhard Stock et al. STAR Collaboration

We present a systematic analysis of two-pion interferometry in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV using the STAR detector at Relativistic Heavy Ion Collider. We extract the Hanbury-Brown and Twiss radii and study their multiplicity, transverse momentum, and azimuthal angle dependence. The Gaussianness of the correlation function is studied. Estimates of the geometrical and dynamical structure of the freeze-out source are extracted by fits with blast-wave parametrizations. The expansion of the source and its relation with the initial energy density distribution is studied.

K(892)* resonance production in Au+Au and p+p collisions at sqrt[sNN]=200GeV (2005)

J. Adams Jens Berger Thomas Dietel Thorsten Kollegger Jens Sören Lange Reinhard Stock et al. STAR Collaboration

The short-lived K(892)* resonance provides an efficient tool to probe properties of the hot and dense medium produced in relativistic heavy-ion collisions. We report measurements of K* in sqrt[sNN]=200GeV Au+Au and p+p collisions reconstructed via its hadronic decay channels K(892)*0-->K pi and K(892)*±-->K0S pi ± using the STAR detector at the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory. The K*0 mass has been studied as a function of pT in minimum bias p+p and central Au+Au collisions. The K*pT spectra for minimum bias p+p interactions and for Au+Au collisions in different centralities are presented. The K*/K yield ratios for all centralities in Au+Au collisions are found to be significantly lower than the ratio in minimum bias p+p collisions, indicating the importance of hadronic interactions between chemical and kinetic freeze-outs. A significant nonzero K*0 elliptic flow (v2) is observed in Au+Au collisions and is compared to the K0S and Lambda v2. The nuclear modification factor of K* at intermediate pT is similar to that of K0S but different from Lambda . This establishes a baryon-meson effect over a mass effect in the particle production at intermediate pT (2<pT <= 4GeV/c).

Azimuthally sensitive Hanbury Brown-Twiss interferometry in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV (2004)

J. Adams Clemens Adler Jens Berger Thomas Dietel Dominik Bernhard Flierl Thorsten Kollegger Jens Sören Lange Reinhard Stock Christof Struck et al. STAR Collaboration

We present the results of a systematic study of the shape of the pion distribution in coordinate space at freeze-out in Au+Au collisions at BNL RHIC using two-pion Hanbury Brown-Twiss (HBT) interferometry. Oscillations of the extracted HBT radii versus emission angle indicate sources elongated perpendicular to the reaction plane. The results indicate that the pressure and expansion time of the collision system are not sufficient to completely quench its initial shape.

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