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Dielektronenproduktion in 12C + 12C Kollisionen bei 1 GeV pro Nukleon

Dielectron production in 12C + 12C collisions at 1 GeV per nucleon

  • Die Untersuchung der Eigenschaften von Hadronen und ihren Konstituenten (Quarks und Gluonen) in heißer und/oder dichter Kernmaterie ist eines der Hauptziele der Physik mit schweren Ionen. Der Zustand dichter und heißer Materie kann im Labor für kurze Zeit in der Reaktionszone von relativistischen Schwerionenkollisionen geschaffen werden. Einen Einblick über die Eigenschaften der starken Wechselwirkung und über die Massenerzeugung der Hadronen geben Dileptonen-Experimente, da Leptonen nicht von der starken Wechselwirkung beeinflusst werden. Unabhängig von der Strahlenergie zeigen die invarianten Massenspektren der Dileptonen in Schwerionenkollisionen im Vergleich zur Superposition der erwarteten hadronischen Zerfälle im Vakuum einen Überschuss im invarianten Massenbereich 0,2 - 0,6 GeV/c². Während dieser Überschuss bei CERN-SPS Energien in Zusammenhang mit der In-Medium-Modifikation der Spektralfunktion des Rho-Mesons gebracht wird, konnte die hohe Zahl der Dileptonen, die von der DLS Kollaboration in C + C und Ca + Ca bei 1 GeV/u beobachtet wurde, bis zum Erscheinen der HADES Daten nicht zufrieden stellend erklärt werden. Die Diskrepanz zwischen experimentellen Daten und Transportrechnungen erhielt den Namen "DLS Puzzle". In diesem Zusammenhang wurde eine kontroverse Diskussion über die Validität der Ergebnisse der DLS Kollaboration geführt. Das HADES Detektorsystem (High Acceptance Di-Electron Spectrometer), das sich am Schwerionensynchroton der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt befindet, ist zur Zeit das einzige Experiment, das Dielektronen bei Projektilenergien von 1 - 2 GeV/u misst. Es tritt somit die Nachfolge des DLS Experiments an. Jedoch ist HADES durch zahlreiche technische Verbesserungen, u.a. Massenauflösung und Akzeptanz, im Vergleich zum Spektrometer DLS ein Experiment der 2. Generation. Erste Ergebnisse der Messung 12C + 12C bei 2 GeV/u der HADES Kollaboration bestätigen den generellen Trend einer erhöhten Zählrate im Vergleich zu den erwarteten Beiträgen von hadronischen Zerfällen. Es stellt sich die Frage, wie sich diese Beobachtung zu kleineren Strahlenergien hin fortsetzt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die mit dem HADES Detektorsystem durchgeführte Messung der Dielektronenproduktion in der Schwerionenkollision 12C + 12C bei einer Projektilenergie von 1 GeV/u ausgewertet. Wesentliche Zielsetzungen sind u. a. die Überprüfung der DLS Daten und die Bestimmung der Anregungsfunktion des Überschusses. In der Analyse wird demonstriert, dass Leptonen effizient nachgewiesen werden. Die dargestellte Paaranalyse zeigt, dass der kombinatorische Untergrund erfolgreich reduziert und die Menge der wahren Dielektronen weitgehend erhalten werden kann. Nach Abzug des kombinatorischen Untergrundes werden die effizienzkorrigierten und normierten invarianten Massen-, Transversalimpuls- und Rapiditätsverteilungen der Dielektronen untersucht. Die Ergebnisse werden mit hadronischen Cocktails verschiedener theoretischer Ansätze verglichen. Diese beinhalten die Beiträge kurz- und langlebiger Dileptonenquellen einer thermischen Quelle (PLUTO) sowie mikroskopische Transportrechnungen (HSD,IQMD). Im Massenbereich 0,2 - 0,6 GeV/c² wird der gemessene Überschuss relativ zu den Vorhersagen bestätigt. Zusammen mit den Ergebnissen der Messung 12C + 12C bei 2 GeV/u zeigt sich, dass der Überschuss mit abnehmender Strahlenergie relativ zunimmt. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass der Überschuss in dem Massenintervall 0,15 - 0,5 GeV/c² als Funktion der Projektilenergie entsprechend der Zahl der produzierten neutralen Pionen und nicht wie die Zahl des Eta-Mesons skaliert. Der direkte Vergleich der HADES mit den DLS Ergebnissen zeigt, dass die Daten der vorliegenden Arbeit mit den für lange Zeit angezweifelten DLS Resultaten übereinstimmen. Die Frage nach dem physikalischen Ursprung des Überschusses rückt somit erneut in den Vordergrund. In diesem Zusammenhang ist das Studium der Dileptonenproduktion in elementaren Reaktionen p + p und d + p wichtig. Neuere Rechnungen mit einem One Boson Exchange (OBE) Modell deuten darauf hin, dass die Beiträge von p-p und hauptsächlich p-n zur Bremsstrahlung signifikant höher sind als bisher vermutet. Eine aktualisierte Transportrechnung (HSD), deren Parametrisierung der Bremsstrahlung durch dieses OBE Resultat inspiriert ist, scheint in der Lage zu sein, die Ergebnisse der Messungen 12C + 12C bei 1 GeV/u der HADES und DLS Kollaboration recht gut zu beschreiben. Die entsprechenden Vergleiche sind dargestellt und werden diskutiert. Aber auch die Transportrechnung IQMD erklärt die HADES Daten recht gut. Daher ist es offensichtlich, dass eine direkte Gegenüberstellung der OBE Modellrechnungen und der von der HADES Kollaboration gemessenen und derzeit analysierten Daten zur Dileptonenproduktion in p + p und d + p Reaktionen erforderlich ist. Nur so können sichere Schlüsse über den Ursprung der Dileptonen bei SIS Energien gezogen werden.
  • One of the main goals of heavy-ion physics is the study of the modifications of properties of hadrons and their constituents (quarks and gluons) in hot and/or dense nuclear matter, predicted within the framework of QCD. The condition of hot and dense matter is experimentally realized in the laboratory for a short time in the reaction volume of relativistic heavy ion collisions. Dilepton experiments give an insight into the properties of strongly interacting matter and the origin of hadron masses, since they do not undergo strong interactions in the final state. Dilepton spectra taken in heavy-ion collisions exhibit indeed an enhancement of yield, with no clear dependence on beam energy, compared to the superposition of free hadronic decays in the invariant-mass region 0.2 - 0.6 GeV/c². While the dilepton enhancement found at SPS energies has been related to modifications of the rho-meson spectral function in the hadronic medium, the large pair yields observed by DLS in C+C and Ca+Ca collisions at 1 GeV/u remained to be explained satisfactorily until the HADES data became available. The discrepancy between experimental data and transport models became known as “DLS Puzzle”. In this context the validity of the results of the DLS Collaboration were controversially discussed. The high-acceptance dielectron spectrometer HADES at GSI, Darmstadt (Germany), is presently the only dilepton spectrometer operational in the SIS energy regime of 1 – 2 GeV/u, succeeding the DLS experiment. Due to several technical improvements, e. g. mass resolution and acceptance, HADES is in comparison to the DLS spectrometer an experiment of the second generation. First results in 12C + 12C collisions at 2 GeV/u confirmed the general observation of an enhanced pair yield above the contribution expected from hadron decays after freeze-out. The question arises of how this observation continues to smaller beam energies. It is obvious that the excess function will help to clarify the physical origin of the excess. This thesis contains the experimental results on dielectron production in 12C + 12C collisions at 1 GeV/u recorded with HADES. Its objectives are the direct comparison with DLS results, thus addressing the long-standing ‘DLS puzzle’ and the determination of the beam energy dependence of the pair yield. Within this work, the analysis is demonstrated, showing that leptons are efficiently reconstructed and hadrons very well discriminated. The described pair analysis shows that the combinatorial background is successfully reduced and the amount of true electron-positron pairs is not decreased. After subtracting the combinatorial background, the efficiency-corrected and normalized invariant-mass, transverse momentum and rapidity distributions of the dileptons are investigated. The results are compared with hadronic cocktails calculated from various theoretical approaches. These comprise short- and long-lived dilepton sources computed with the PLUTO generator (anisotropic meson emission from a Boltzmann-like thermal source), as well as microscopic transport calculations (HSD and IQMD). In the invariant-mass region 0.2 - 0.6 GeV/c² the measured pair yield shows a strong excess above the contribution expected from hadron decays after freeze-out according to predictions. Together with the results obtained in 12C + 12C at 2 GeV/u it becomes evident that the overshoot of the data increases with decreasing beam energy. A detailed analysis shows that the beam energy dependence of the excess yield, i.e. the pair yield above the known eta contribution, integrated over the 0.15 - 0.5 GeV/c² mass range, scales like pion production. Furthermore the direct comparison of HADES and DLS data shows that the present data agree with the — for a long time disputed — DLS results. It poses, however, again the question of the origin of the thus confirmed pair excess. In this context, studies of the elementary reactions p + p and d + p are important. Recent calculations within a one boson exchange (OBE) model suggest significantly larger than heretofore assumed contributions from p–p and, mostly, p–n quasi-elastic bremsstrahlung. Moreover, transport calculations done with the hadron string dynamics (HSD) model using a parametrization of bremsstrahlung inspired by the new OBE result seem to match both the HADES and the DLS 12C + 12C data. The corresponding results are shown and discussed. Also the transport calculation IQMD describes the data quite well. It is evident that the direct confrontation of the OBE model calculations with p + p and d + p dielectron data measured with HADES is mandatory to reach firm conclusions on the origin of dileptons at SIS energies.

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Metadaten
Author:Yvonne C. Pachmayer
URN:urn:nbn:de:hebis:30-57557
Referee:Herbert Ströbele
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2008/10/17
Year of first Publication:2008
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2008/08/22
Release Date:2008/10/17
Tag:Anregungsfunktion; DLS Puzzle; Dielektronenspektroskopie; Schwerionenkollision; Überschuss-Multiplizität
DLS puzzle; dilepton spectroscopy; excess yield; excitation function; heavy-ion reactions
GND Keyword:Kernphysik; Darmstadt / Gesellschaft für Schwerionenforschung; Experiment; Elementarteilchen; Schwerionenstoß; Datenanalyse; HADES <Teilchendete
Source:G. Agakichiev et al. Study of dielectron production in 12C+12C collisions at 1 AGeV, (HADES Collaboration).Phys. Lett.,B663:43–48,2008.Y. C. Pachmayer et al. Dielectron Production in 12C + 12C Collisions at 1 GeV/u and the Solution to the DLS Puzzle. J. P
HeBIS-PPN:205597416
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht