Energy and system size dependence of Xi- and anti-Xi+ production in relativistic heavy-ion collisions at the CERN SPS

Energie- und Systemgrößabhängigkeit von Xi- und Anti-Xi+-Produktion in relativistischen Schwerionenkollisionen am CERN-SPS

  • The strong nuclear force is described by Quantum Chromodynamics (QCD), the parallel field theory to Quantum Electrodynamics (QED) that describes the electromagnetic force. It is propagated by gluons analogously to photons in the electromagnetic force, but unlike photons, which do not carry electric charge, gluons carry color, and they can self-interact. However, as individual quarks have never been observed in nature, it is postulated that the color charge itself is confined, and hence all baryons and mesons must be colorless objects. To study nuclear matter under extreme conditions, it is necessary to create hot and dense nuclear matter in the laboratory. In such conditions the confinement between quarks and gluons is cancelled (deconfinement). This state is characterized with a qusi-free behavior of quarks and gluons. The strange (s) and anti-strange (anti-s) quarks are not contained in the colliding nuclei, but are newly produced and show up in the strange hadrons in the final state. It was suggested that strange particle production is enhanced in the QGP with respect to that in a hadron gas. This enhancement is relative to a collision where a transition to a QGP phase does not take place, such as p+p collisions where the system size is very small. Therefore the energy- and system size dependence is studied to receive a picture about the initial state. In this thesis experimental results on the energy- and system size dependence of Xi hyperon production at the CERN SPS is shown. All measurements were performed with the NA49 detector at the CERN SPS. NA49 took central lead-lead collisions from 20 - 158 AGeV, minimus bias lead-lead collisions at 40 and 158 AGeV, and semi-central silicon-silicon colisions at 158 AGeV. The NA49 experiment features a large acceptance in the forward hemisphere allowing for measurements of Xi rapidity spectra. At the SPS accelerator at CERN Pb+Pb collisions are performed with beam energies to 158 AGeV. The analyzed data sets were taken in the period from 1999 to 2002. The NA49 experiment is a large acceptance hadron spectrometer, which measures charged hadrons in a wide acceptance. The main components are the four TPCs (Time Projection Chamber). The centrality of nucleon-nucleon collisions was done by measuring the not in the collision participating (spectator-) nucleons in the VETO-calorimeter. The study of strangeness is motivated by its role as a signature for the Quark Gluon Plasma. Any enhancement in the yield must be with respect to a ’normal’ yield, where a QGP is not formed. This is usually taken to mean suitably scaled p+p collisions, where the volume of the system created is too small for a QGP to occur. The results at SPS and RHIC energies show an enhancement, with the doubly strange Xi? being enhanced more than the Lambda, in accordance with the original prediction. However, the enhancement at SPS energies is higher than at RHIC energies.
  • Die Quantenchromodynamik (QCD) beschreibt die starke Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen. Quarks bauen unter anderem Protonen und Neutronen auf, werden aber unter normalen umständen nicht isoliert beobachtet. Wenn Kernmaterie stark komprimiert wird, steigen Energiedichte und Temperatur, und möglicherweise erfährt die Kernmaterie einen Phasenübergang zu einem Zustand der als Quark Gluon Plasma (QGP) bezeichnet wird. Im QGP ist das Confinement der Quarks und Gluonen aufgehoben (Deconfinement). Dieser Zustand ist gekennzeichnet durch ein quasi-freies Verhalten der Quarks und Gluonen. Seltsame (s) und Antiseltsame (anti-s) Quarks werden in der Kollision neu produziert und können deshalb Aufschluss über den Anfangszustand geben. Eine Überhöhung der Seltsamkeit in Schwerionenkollisionen im Vergleich zu elementaren Nukleon- Nukleon Kollisionen wurde als Signatur für ein QGP vorhergesagt. Es ist bis jetzt noch nicht klar, ob dieser Effekt auch auf hadronische Effekte zurückgeführt werden kann. Deshalb untersucht man die Energie- und Systemgrößenabhängigkeit von seltsamen Hadronen, um einen Aufschluss über den Anfangszustand zu gewinnen. In dieser Arbeit wird die experimentelle Analyse der Energie- und Systemgrößenabhängigkeit der Produktion von Xi-Hyperonen am CERN SPS untersucht. Dazu wurden mit dem NA49 Detektor zentrale Blei-Blei-Kollisionen bei einer Energie von 20 - 158 AGeV, minimum bias Blei-Blei-Kollisionen bei 40 und 158 AGeV und semi-zentrale Silizium-Silizium-Kollisionen bei 158 AGeV aufgenommen. Im Folgenden wird das NA49 Experiment am CERN SPS vorgestellt, mit dem die Daten aufgezeichnet wurden, die die Grundlage für diese Analyse sind. Am SPS Beschleuniger im CERN werden Pb+Pb Kollisionen bis zu einer Strahlenergie von 158 AGeV erzeugt. Die hier analysierten Datensätze wurden in einem Zeitraum von 1999 bis 2002 aufgezeichnet. Das NA49 Experiment ist ein Hadronen-Spektrometer, welches geladene Hadronen mit einer sehr großen Akzeptanz misst. Die Hauptkomponenten sind die vier TPCs (Time Projection Chamber). Kern-Kern-Kollisionen unterschiedlicher Zentralität können durch die Messung der nicht an der Kollision beteiligten (Spektator-) Nukleonen im Veto-Kalorimeter selektiert werden. Die Ergebnisse aus minimum bias Blei-Blei-Reaktionen und aus kleinen Systemen bei 158 AGeV ermöglichen zusammen mit Daten aus Proton-Proton-Kollisionen, die Abhängigkeit der Seltsamkeitsüberhöhung von der Systemgröße zu studieren. Dieselbe Untersuchung wurde bei den höchsten RHIC-Energien bei 200 GeV vom STAR-Experiment durchgeführt. Bei beiden Energien ist die Überhöhung für das Xi stärker als für das Lambda. Wird der Seltsamkeitsüberhöhungsfaktor von NA49 mit dem von STAR verglichen, wird erkannt, dass ersterer höher ist.

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Author:Michael Kosta MitrovskiGND
Referee:Christoph BlumeORCiDGND
Document Type:Doctoral Thesis
Date of Publication (online):2007/07/04
Year of first Publication:2007
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2007/06/11
Release Date:2007/07/04
Tag:Quantenchromodynamik; Quark-Gluon Plasma; Seltsamkeitsüberhöhung
Quantum chromodynamics; Quark-Gluon Plasma; Strangeness Enhancement
GND Keyword:CERN; Strangeness; Schweres Ion; Zeitprojektionskammer; Xi-Hyperon
Institutes:Physik / Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht