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Benjamin Lungwitz

• In this work data of the NA49 experiment at CERN SPS on the energy dependence of multiplicity fluctuations in central Pb+Pb collisions at 20A, 30A, 40A, 80A and 158A GeV, as well as the system size dependence at 158A GeV, is analysed for positively, negatively and all charged hadrons. Furthermore the rapidity and transverse momentum dependence of multiplicity fluctuations are studied. The experimental results are compared to predictions of statistical hadron-gas and string-hadronic models. It is expected that multiplicity fluctuations are sensitive to the phase transition to quark-gluon-plasma (QGP) and to the critical point of strongly interacting matter. It is predicted that both the onset of deconfinement, the lowest energy where QGP is created, and the critical point are located in the SPS energy range. Furthermore, the predictions for the multiplicity fluctuations of statistical and string-hadronic models are different, the experimental data might allow to distinguish between them. The used measure of multiplicity fluctuations is the scaled variance omega, defined as the ratio of the variance and the mean of the multiplicity distribution. In the NA49 experiment the tracks of charged particles are detected in four large volume time projection chambers (TPCs). In order to remove possible detector effects a detailed study of event and track selection criteria is performed. Naively one would expect Poisson fluctuations in central heavy ion collisions. A suppression of fluctuations compared to a Poisson distribution is observed for positively and negatively charged hadrons at forward rapidity in Pb+Pb collisions. At midrapidity and for all charged hadrons the fluctuations are larger than the Poisson ones. The fluctuations seem to increase with decreasing system size. It is suggested that this is due to increased relative fluctuations in the number of participants. Furthermore, it was discovered that omega increases for decreasing rapidity and transverse momentum. A hadron-gas model predicts different values of omega for different statistical ensembles. In the grand-canonical ensemble, where all conservation laws are fulfilled only on the average, not on an event-by-event basis, the predicted fluctuations are the largest ones. In the canonical ensemble the charges, namely the electrical charge, the baryon number and the strangeness, are conserved for each event. The scaled variance in this ensemble is smaller than for the grand-canonical ensemble. In the micro-canonical ensemble not only the charges, but also the energy and the momentum are conserved in each event, the predicted $omega$ is the smallest one. The grand-canonical and canonical formulations of the hadron-gas model over-predict fluctuations in the forward acceptance. In contrast to the experimental data no dependence of omega on rapidity and transverse momentum is expected. For the micro-canonical formulation, which predicts small fluctuations in the total phase space, no quantitative calculation is available yet for the limited experimental acceptance. The increase of fluctuations for low rapidities and transverse momenta can be qualitatively understood in a micro-canonical ensemble as an effect of energy and momentum conservation. The string-hadronic model UrQMD significantly over-predicts the mean multiplicities but approximately reproduces the scaled variance of the multiplicity distributions at all measured collision energies, systems and phase-space intervals. String-hadronic models predict for Pb+Pb collisions a monotonous increase of omega with collision energy, similar to the observations for p+p interactions. This is in contrast to the predictions of the hadron-gas model, where omega shows no energy dependence at higher energies. At SPS energies the predictions of the string-hadronic and hadron-gas models are in the same order of magnitude, but at RHIC and LHC energies the difference in omega in the full phase space is much larger. Experimental data should be able to distinguish between them rather easily. Narrower than Poissonian (omega < 1) multiplicity fluctuations measured in the forward kinematic region (1<y(pi)<y_{beam}) can be related to the reduced fluctuations predicted for relativistic gases with imposed conservation laws. This general feature of relativistic gases may be preserved also for some non-equilibrium systems as modeled by the string-hadronic approaches. A quantitative estimate shows that the predicted maximum in fluctuations due to a first order phase transition from hadron-gas to QGP is smaller than the experimental errors of the present experiment and can therefore neither be confirmed nor disproved. No sign of increased fluctuations as expected for a freeze-out near the critical point of strongly interacting matter is observed.
• In dieser Arbeit wird die Energieabhängigkeit der Multiplizitätsfluktuationen in zentralen Schwerionenkollisionen mit dem NA49-Experiment am CERN SPS- Beschleuniger untersucht. Bei sehr hohen Energiedichten erwartet jedoch, dass die Bestandteile der Nukleonen, die Quarks, nicht länger in einzelne Hadronen gebunden sind, sondern sich frei in einem größeren Volumen bewegen können. Diesen Materiezustand bezeichnet man als Quark-Gluon-Plasma (QGP). Im frühen Universum und im Inneren von Neutronensternen wird QGP vermutet. Im Phasendiagramm der stark wechselwirkenden Materie ist vorhergesagt, dass die Hadronengas-Phase von der QGP-Phase bei höheren Baryonendichten durch einen Phasenübergang 1. Ordnung, bei kleineren Baryonendichten hingegen durch einen kontinuierlichen Übergang, separiert ist. Ein kritischer Punkt soll beide Bereiche trennen. Am SPS- Beschleuniger des europäischen Kernforschungszentrums CERN bei Genf können Blei- Ionen derart beschleunigt werden, dass bei ihren Kollisionen kurzzeitig Energiedichten erreicht werden, die für die Bildung von QGP ausreichen. Da der Feuerball der Kollision schnell expandiert, zerfällt das eventuell vorhandene QGP und bildet Hadronen, die mit Detektoren gemessen werden können. Anhand verschiedener Observablen dieses hadronischen Endzustandes versucht man, Informationen über die frühe, dichte Phase der Schwerionenkollision zu erhalten. Der Bestimmung der Multiplizitätsfluktuationen liegt die entsprechende Multiplizitätsverteilung zugrunde. Sie gibt die Wahrscheinlichkeit P(n) an, dass in einer Kollision n Teilchen produziert werden. Die in dieser Arbeit verwendete Observable der Multiplizitätsfluktuationen ist die Scaled Variance omega, definiert als das Verhältnis der Varianz der Multiplizitätsverteilung und ihres Mittelwerts. Wenn die Multiplizität der Kollisionen einer Poisson-Verteilung folgt, ist omega=1. Modelle sagen voraus, dass im Bereich des Onsets of Deconfinement, also der niedrigsten Kollisionsenergie, wo QGP gebildet wird, und in der Nähe des kritischen Punkts die Teilchenmultiplizität von Kollision zu Kollision stark fluktuiert. In mehreren Blasenkammer-Experimenten wurde die Energieabhängigkeit der Multiplizitätsfluktuationen in inelastischen p+p Kollisionen im vollen Phasenraum studiert. Dabei wurde entdeckt, dass omega in einem großen Energiebereich eine lineare Funktion der mittleren Multiplizität ist. In dieser Arbeit wird nun erstmals die Energieabhängigkeit der Multiplizitätsfluktuationen in zentralen Schwerionenkollisionen untersucht. Dazu werden Daten des NA49- Experiments verwendet. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse der Energie- und Systemgrößenabhängigkeit der Mulitplizitätsfluktuationen in zentralen Kollisionen. In der Vorwärtsakzeptanz für positiv und negativ geladene Hadronen in zentralen Pb+Pb-Kollisionen ist omega <1, die Multiplizitätsverteilung ist also schmaler als die entsprechende Poisson-Verteilung. Im Midrapidity-Bereich sind die Fluktuationen größer. Für alle geladenen Hadronen ist omega größer als für positive oder negative Hadronen separat. Die Energieabhängigkeit von omega in Pb+Pb-Kollisionen zeigt keine signifikante Struktur, die als ein Signal des kritischen Punkts oder des Onsets of Deconfinement interpretiert werden kann. Omega in C+C und Si+Si-Kollisionen ist größer als in Pb+Pb-Kollisionen bei der gleichen Energie. Weiterhin wird die Abhängigkeit von omega von der Rapidität y und des Transversalimpulses pt studiert. Omega ist größer für Rapiditäten nahe Midrapidity und für kleine Transversalimpulse. Die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit wurden auf mehreren Konferenzen gezeigt, die finalen Daten sind bei Physical Reviev C eingereicht und befinden sich derzeit im Review-Prozess. In einem statistisches Hadron-Gas-Modell ist omega für verschiedene statistische Ensembles unterschiedlich groß, omega ist also von der Anzahl der Erhaltungssätze abhängig, die in jeder Kollision erfüllt werden müssen. Für das großkanonische und kanonische Ensemble kann man die Modellvorhersagen von omega im vollen Phasenraum mit den experimentellen Daten vergleichen. Beide Ensemble sind im Widerspruch zu den experimentellen Ergebnissen. Im Rahmen dieser Arbeit erstellte und publizierte UrQMD-Rechnungen zeigen für Pb+Pb-Kollisionen eine ähnliche Energieabhängigkeit von omega wie für p+p-Kollisionen, nämlich ein Anstieg mit steigender Kollisionsenergie. Die UrQMD-Modellrechnungen für omega stimmen mit den experimentellen Daten in zentralen C+C, Si+Si und Pb+Pb Kollisionen gut überein. Auch die Anhängigkeit der Scaled Variance von y und pt wird von UrQMD gut reproduziert.