Production of neutral strange hadrons with high transverse momentum in Pb+Pb collisions at 158 A GeV

  • The motivation for studying ultrarelativistic heavy ion collisions is to search for signatures of a transition from hadronic matter to a partonic phase, the Quark-Gluon plasma. The bulk of the particles produced in these collisions possesses transverse momenta of pT < 2 GeV/c and evidence for the production of a Quark-Gluon plasma at SPS energies has been found in the properties of particles from this pT range. The rare particles seen in the higher pT domain can complete the picture of the produced matter. Examples for such high pT signatures include the properties of the baryon/meson ratios and the elliptic flow in the region 2 < pT < 4 GeV/c observed at RHIC. They can be explained by quark coalescence models. This phase space range can also be accessed for analysis at the highest SPS beam energy of 158 A GeV. A study of the pT dependence of baryon/meson ratios here can help to answer the question which hadron production mechanisms are relevant in this energy range. In the NA49 large acceptance hadron spectrometer, K0S and Lambda are identified via the V 0 topology of their decay into charged hadrons and the determination of their invariant mass. The reach in pT of this method is only limited by the statistics of the available data. An important part of the analysis presented in this thesis is to select potential V 0 candidates by adequate cuts. Optimisation for the high pT domain requires careful cuts in order to retain the signal there. A challenge implicated by this approach is the large combinatorial background left over by the loose cuts. A reliable signal extraction method was found that can deal with this possible difficulty and provide raw spectra.The fraction of particles that cannot be detected because of the geometrical acceptance of the detector and analysis inefficiencies was determined in simulations. Correction factors are extracted from this simulation for each phase space bin and applied to the raw spectra. The spectra corrected in this way reach pT = 3.6 GeV/c (for K0 S) and pT = 3.8 GeV/c (Lambda), respectively. The whole analysis method has been checked to be self-consistent and was compared to existing data on kaon and ... production, that is only available in the lower pT range. While the Lambda spectra agree with an earlier analysis [44], a disagreement remains between the results for K0 S presented here and charged kaon data published in [42]. The Lambda/K0 S ratio calculated from the corrected spectra qualitatively agrees with the results for the higher collision energy at RHIC [8]. A saturation of the ratio for pT >= 2 GeV/c clearly indicates that the hydrodynamical picture is not valid in the higher range any more. Unfortunately, no calculations from coalescence models are available for the SPS energy range so far.
  • In dieser Arbeit wird die Produktion seltsamer neutraler Teilchen mit hohen Transversalimpulsen in Pb+Pb Reaktionen bei 158A GeV untersucht. Diese Analyse basiert auf Daten, die mit dem Experiment NA49 am europäischen Teilchenlabor CERN aufgenommen wurden. Das Standardmodell der grundlegenden Teilchen und Kräfte stellt den heutigen Stand der Suche nach den Grundbausteinen der Natur dar. Neben den Leptonen sind darin Quarks als Elementarteilchen dargestellt. Ausser diesen Teilchen kennt das Standardmodell vier grundlegende Kräfte: Die starke, elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung werden im Standardmodell durch Quanten-Feldtheorien beschrieben, d.h. sie wirken durch den Austausch von Vektorbosonen. Die vierte Kraft, die Gravitation, wirft noch Fragen auf. Im Gegensatz zu den Leptonen kommen Quarks in der Regel nicht einzeln vor, sondern nur in gebundenen Zuständen, den Hadronen. Das liegt an den Besonderheiten der Kraft, die zwischen den Quarks wirkt: der starken Wechselwirkung. Sie ist die einzige unter den vier Kräften, deren Stärke nicht mit dem Abstand abnimmt. Das liegt daran, dass ihre Austauschteilchen, die Gluonen, selber eine Ladung tragen und damit selbst der starken Wechselwirkung unterliegen. Dies führt zum Einschluss der Quarks in Hadronen, dem confinement. Die relativistische Schwerionenphysik befasst sich mit der Suche nach einem neuen Zustand hadronischer Materie, dem Quark-Gluon-Plasma. Man geht heute davon aus, dass dieser Zustand am Anfang unseres Universums bestand, bis etwa 10 exp (-5 ) s nach dem Urknall, als Dichte und Temperatur des Universums so groß waren, dass Hadronen keinen Bestand haben konnten und sich statt dessen Quarks und Gluonen frei bewegen konnten. Die Hadronen die sich nach der Abk¨uhlung dieses Zustandes bildeten, haben im Wesentlichen bis heute, 12 Milliarden Jahre nach dem Urknall Bestand. Nur im Inneren von Neutronensternen erwarten Physiker eine Dichte die so hoch ist, dass die Neutronen überlappen und ein Quark-Gluon-Plasma bilden. Eine Möglichkeit, diesen Zustand experimentell zu untersuchen, bieten Schwerionenkollisionen bei hoch-relativistischen Energien. Dazu werden z.B. im Beschleuniger SPS am CERN Bleikerne auf eine Energie von 158A GeV gebracht. Die von verschiedenen Experimenten dieses SPS-Schwerionenprogramms 2000 verkündete Entdeckung eines neuen Materiezustandes basierte auf einer Vielzahl von Messwerten, die ein Gesamtbild des Quark-Gluon-Plasma zeichneten. Später durchgeführte Experimente bei höheren Energien am RHIC-Beschleuniger brachten andere Observable ins Spiel, die dieses Bild ergänzen können. Die meisten in Schwerionenkollisionen produzierten Hadronen stammen aus Stößen mit geringem Impulsübertrag und weisen deshalb einen Transversalimpuls (senkrecht zur ursprünglichen Strahlrichtung) von pT < 1.5 GeV/c auf. Für den Bereich höherer Transversalimpulse kommen verschiedene Mechanismen zur Hadronisierung in Frage. Ein am RHIC beobachtetes Ansteigen der Verhältnisse von Baryonen zu Mesonen wird als Anzeichen für Hadronisierung durch Rekombination von Quarks erklärt. Das Experiment NA49 wurde dafür konzipiert, den hadronischen Endzustand von Schwerionenkollisionen zu untersuchen. Es hat eine große Akzeptanz, die es ermöglicht etwa 70% der tausenden von geladenen Teilchen, die in jeder Kollision entstehen, zu vermessen. Neutrale seltsame Teilchen, wie die in der vorliegenden Arbeit untersuchten K0 S und Lambda werden über ihren schwachen Zerfall in zwei geladene Teilchen identifiziert. Die V-Form der Tochterspuren gibt ihnen den Namen V 0-Teilchen. Die Analyse beruht auf der Rekonstruktion der invarianten Masse der V 0-Teilchen in einzelnen Bereichen des Phasenraums aus den Zerfallsprodukten. Die Reichweite in pT für diese Methode ist nur durch die statistische Häufigkeit, die mit pT stark abnimmt, beschränkt. Ein wichtiger Bestandteil dieser Analyse ist es, die Menge der V 0-Kandidaten durch geeignete Kriterien (“cuts”) so einzugrenzen, dass falsche Kombinationen unterdrückt werden. Gleichzeitig muss darauf geachtet werden, durch diese cuts das Signal so wenig wie möglich zu treffen. Der Anteil der Teilchen, die wegen der geometrischen Akzeptanz des Experiments oder durch Ineffizienzen in der Analyse nicht gemessen wurden, wird durch eine Simulation ermittelt. Daraus werden für jeden Bereich des Phasenraums Korrekturfaktoren ermittelt, um die gemessenen Rohwerte in korrigierte Spektren umzurechnen. Das aus diesen korrigierten Spektren berechnete Verhältnis K0 S/Lambda gleicht qualitativ den Messungen am RHIC und bestärkt die anderen Hinweise darauf, dass bei den höchsten am SPS verfügbaren Energien ein Quark-Gluon-Plasma erreicht wird.

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Metadaten
Author:Tim Schuster
URN:urn:nbn:de:hebis:30-28554
Place of publication:Frankfurt am Main
Document Type:Diploma Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2006/06/23
Year of first Publication:2006
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Release Date:2006/06/23
HeBIS-PPN:185784380
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht