530 Physik
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HADES : ein Dielektronenspekrometer hoher Akzeptanz für relativistische Schwerionenkollisionen
(1995)
Das Dielektronenspektrometer HADES (High Acceptance Dielectron Spectrometer) wird gegenwärtig am Schwerionensynchrotron der Gesellschaft für Schwerionenforschung (Darmstadt) aufgebaut. Die Spektroskopie von Elektron-Positron-Paaren (Dielektronen) aus Kern-Kern-Kollisonen mit Projektilenergien von 1 bis 2 GeV/Nukleon verspricht einen Einblick in die Eigenschaften von Hadronen bei Dichten, die das Dreifache von normaler Kerndichte erreichen. Es wird erwartet, daß sich die Massenverteilung der unterhalb der Schwelle erzeugten leichten Vektormesonen rho. omega und phi anhand ihres Zerfalls in Dielektronen experimentell untersuchen läßt. Die Beobachtung von Massenänderungen kann Hinweise auf die Restauration der im Vakuum gebrochenen chiralen Symmetrie geben. Die Eigenschaften des Spektrometers wurden in der vorliegenden Arbeit mit Simulationsrechnungen (GEANT) untersucht und optimiert. Zur Leptonenidentifizierung dient ein ortsempfindlicher Cerenkov-Zähler (RICH1) mit Gasradiator, azimutal symmetrischem Spiegel und V-Photonendetektor. Durch die geometrische Anordnung des RICH und mit sechs supraleitenden Spulen in toroidaler Anordung erreicht HADES eine Polarwinkelakzeptanz von 18 bis 85 Grad. Die Feldverteilung ist der kinematischen Impulsverteilung angepaßt und garantiert Feldfreiheit im RICH. Je ein Paar Minidriftkammern vor und hinter dem Magnetfeldbereich messen die Trajektorie zur anschließenden Rekonstruktion von Impuls, Winkel und Vertex. Zuletzt passieren die Teilchen META, eine Detektorkombination von Szintillatoren und Schauerdetektor. Aus der Multiplizität geladener Teilchen in den Szintillatoren werden zentrale Kollisionen für den Trigger der ersten Stufe selektiert. Den Trigger der zweiten Stufe definieren zwei erkannte Ringe im RICH, die jeweils einem Elektronensignal in META zuzuordnen sind. HADES ist ein Experiment der zweiten Generation. Die Messungen mit dem Dileptonenspektrometer DLS am BEVALAC (Berkeley, USA) ergaben nur für leichte Stoßsysteme e+e- -Spektren guter Statistik. HADES besitzt mit 35% die hundertfache geometrische e+e- - Akzeptanz des DLS. Darüber hinaus können mit einer Massenauflösung von weniger als 1% (DLS 12%) die e+e- -Beiträge von omega- und rho-Meson getrennt werden. Es ist für die Anforderungen von Au+Au-Kollisionen bei hohen Kollisionsraten von 106 pro Sekunde konzipiert. Bei einer Anzahl von bis zu 170 Protonen und 20 geladenen Pionen sowie mehr als 0.1 e+e- -Paaren durch den pi 0-Zerfall werden pro zentralerKollision etwa 10 exp 6 Dielektronen aus dem rho- oder omega-Zerfall erwartet. Leptonen, die aus dem Zerfall verschiedener pi 0-Mesonen stammen, bilden kombinatorische e+e- -Paare, die auch im e+e- -Massenbereich der Vektormesonen beitragen können. Durch Rekonstruktion und durch Methoden der Untergrunderkennung wird der e+e- -Untergrund um nahezu zwei Größenordnungen unterdrückt, während die Effizienz für echte Dielektronen etwa 55% beträgt. Die Leptonen des verbleibenden Untergrunds stammen zu mehr als 50% aus dem pi-0-Dalitz-Zerfall und zu etwa 40% aus externer Paarkonversion von ..-Quanten des Zerfalls pi 0.. , wobei Konversionsprozesse im Radiatorgas und im Target zu gleichen Teilen beitragen. pi 0-Dalitz-Zerfall überwiegt im kombinatorischen Massenspektrum bis 500 MeV/c2 ; oberhalb von 500 MeV/c2 dominiert externe Paarkonversion.
Konzeptionelle Untersuchungen eines Dielektronenspektrometers für Schwerionenstöße im GeV/u-Bereich
(1993)
Mit dem Dileptonenspektrometer HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) sollen Dielektronen, die bei zentralen Au+Au-Kollisionen der Energie von bis zu 2 GeV/u entstehen, spektroskopiert werden. Zentrale Detektorkomponente ist ein Magnetspektrometer, bestehend aus einem toroidalem Magnetfeld und 24 Driftkammern, die zur Orts- und Impulsbestimmung durch Ablenkung im Magnetfeld verwendet werden. Hohe Raten minimal ionisierender Teilchen, eine Massenauflösung von 1% im Massenbereich von 800 (MeVc) exp -2 sowie eine sichere Signalerkennung und -zuordnung stellen höchste Anforderungen an das Spektrometer, insbesondere an die Driftkammern. Ziel dieser Arbeit ist das grundlegende Verständnis der Funktionsweise der Driftkammern, die bei HADES eingesetzt werden, dazu gehört: (a): das physikalische Verständnis der Funktionsweise, insbesondere - die genaue Kenntnis des Feldverlaufs innerhalb der Kammern, sowie die Eigenschaften des verwendeten Driftkammergases und - die Bestimmung des theoretisch maximal erreichbaren Ortsauflösungsvermögens der Driftkammern, (b): die technische Seite, die den Aufbau der Driftkammern untersucht. Dies ist besonders wichtig, da in den HADES-Simulationsrechnungen aufgrund der großen Anzahl individueller Drähte mit Folien äquivalenter Massen gerechnet wurde. Hilfsmittel zur Untersuchung dieser Fragestellungen waren einerseits Programme, die Monte-Carlo-Methoden verwenden, andererseits Experimente, die an einem Prototyp der HADES-Driftkammern durchgeführt wurden, wobei jedoch der Schwerpunkt dieser Arbeit auf den Simulationrechnungen liegt. Kapitel 1 gibt einen Überblick über die physikalische Motivation von HADES und beschreibt kurz die einzelnen Komponenten des Spektrometers und die Driftkammerphysik. Kapitel 2 geht auf den Aufbau der HADES-Driftkammern ein und stellt die mit Hilfe von Simulationsrechnungen gewonnenen Erkenntnisse über die Kammern vor. Kapitel 3 behandelt die Bestimmung der intrinsischen Auflöosung der Prototyp-Driftkammer. Da dies allein mit Hilfe von Quellenmessungen aufgrund der Vielfachstreuung nicht möglich ist, wurde der Anteil an Vielfachstreuung mit Simulationsrechnungen bestimmt. Kapitel 4 vergleicht die Erkenntnisse über das Verhalten der Driftkammern, die in Kapitel 2 gewonnen wurden, mit einem am SIS (Schwerionen-Synchrotron) gemachten Experiment. Abschließend wird das Modell einer Driftkammer mit realen Drähten mit dem Modell einer Driftkammer verglichen, in der die Drähte durch Folien äquivalenter Massenbelegung ersetzt wurden.
Im HADES-Detektorsystem werden Vieldraht-Driftkammern zur Spurrekonstruktion verwendet. Für eine genaue Untersuchung des Driftzeitverhaltens innerhalb der Driftzellen wird ein ortsempfindliches Referenzdetektorsystem benötigt. Hierfür wurden Silizium-Mikrostreifen-Detektoren mit einer Ortsauflösung im Bereich kleiner als 10 mikrom eingesetzt. Diese wurden zu einem Strahlteleskop zusammengebaut, mit dem die Teilchentrajektorie zwischen zwei Referenz-Meßunkten bestimmt werden kann. Probleme bereitete die Vielfachstreuung in den einzelnen Komponenten des Teleskop-Aufbaus, die den geradlinigen Teilchendurchgang zwischen den beiden Ortsmessungen beeinflußte. Dies wurde durch Messung mit Teilchen höherer Steifigkeit ausgeglichen. Die Silizium-mü-Streifen-Detektoren zeigten ein gutes Signal-zu-Untergrund Verhalten und wiesen eine sehr gute Effizienz auf. Die Bestimmung des Teilchendurchgangsortes durch den Driftkammer-Prototyp 0 ermöglichte die Messung der Driftgeschwindigkeit. Auch das Driftzeitverhalten in Abhängigkeit vom Ort des Teilchendurchgangs konnte genau untersucht werden.
Gemessen wurden der gerichtete und der elliptische Fluss von Pionen und Protonen in Blei-Blei-Stößen bei einer Laborenergie des Projektils von 40 GeV pro Nukleon. Bestimmt wurde die Abhängigkeit der beiden Flusskomponenten von der Zentralität des Stoßes sowie von der Rapidität und dem Transversalimpuls der gemessenen Teilchen. Zur Rekonstruktion des Flusses wurde die Methode der Korrelation der Teilchen mit der abgeschätzten Reaktionsebene verwendet. Zur Korrektur der azimutalen Anisotropien des Detektors wurde die Methode des Zentrierens der Teilchenverteilung in Abhängigkeit von Rapidität und Transversalimpuls angewendet. Für den v2 wurde eine Abänderung des Korrelationsterms nötig, um den Einflüssen durch die schlechte Akzeptanz entgegenzuwirken. Weiterhin wurde der Einfluss von Nicht-Fluss-Korrelationen zwischen den gemessenen Teilchen auf den Fluss untersucht. Dabei erkannte man einen starken Einfluss der Transversalimpulserhaltung im v1, der durch eine Korrektur behoben werden konnte. Einen weniger starken Einfluss konnte man bei der Untersuchung im Phasenraum kurzreichweitiger Korrelationen feststellen. Es wurde erstmals deutlich ein negativer gerichteter Fluss von Protonen nahe der Schwerpunktsrapidität beobachtet, der bereits mittels meherer theoretischer Rechnungen vorhergesagt wurde. Sowohl der gerichtete als auch der elliptische Fluss erreicht bei 40 AGeV Laborenergie annähernd die gleichen Werte, die von NA49 bei 158 AGeV Laborenergie gemessen wurden. Die für den Fluss gemessenen Werte befinden sich teilweise in Übereinstimmung mit denen des Experimentes CERES/NA45, ist allerdings nur bedingt möglich, da bisher nur einzelne vorläufige Resultate veröffentlicht wurden. Die für den elliptischen Fluss gemessenen Werte bei der Schwerpunktsrapidität und einer Zentralität von 25% liegen etwas höher als man aus der beobachteten Systematik der Energieabhängigkeit zwischen den Experimenten E877 (mit 10 AGeV Laborenergie am AGS), CERES und NA49 (bei einer Energie von und 160 AGeV am SPS) sowie STAR (am RHIC bei einer Energie von psNN = 130GeV) erwartet hat. So wird von den Werten am AGS bei voller Energie zu denen am SPS bei 40 AGeV ein Anstieg von 2% auf 3,3% beobachtet. Von 40 AGeV zu 158 AGeV Laborenergie am SPS ändert sich der Wert nur minimal von 3,3% auf 3,2%. Zwischen der höheren SPS-Energie von 158 AGeV und der RHIC-Energie von psNN = 130GeV wird ein weiterer Anstieg von 3,2% auf 5,6% gemessen. Das ist ein Anzeichen für eine Anomalie, die im Bereich der SPS-Energien vorliegen könnte. Eine genauere Bestimmung des Flusses ist noch möglich, da für die Analyse dieser Arbeit erst eine Hälfte der gemessenen Daten zur Verfügung stand. Mit Hilfe dieser Daten ließe sich die Energieabhängigkeit des Flusses genauer untersuchen und die gefundene Anomalie bestätigen.
We propose to use the hadron number fluctuations in the limited momentum regions to study the evolution of initial flows in high energy nuclear collisions. In this method by a proper preparation of a collision sample the projectile and target initial flows are marked in fluctuations in the number of colliding nucleons. We discuss three limiting cases of the evolution of flows, transparency, mixing and reflection, and present for them quantitative predictions obtained within several models. Finally, we apply the method to the NA49 results on fluctuations of the negatively charged hadron multiplicity in Pb+Pb interactions at 158A GeV and conclude that the data favor a hydrodynamical model with a significant degree of mixing of the initial flows at the early stage of collisions.
We present a detailed study of chemical freeze-out in p-p, C-C, Si-Si and Pb-Pb collisions at beam momenta of 158A GeV as well as Pb-Pb collisions at beam momenta of 20A, 30A, 40A and 80A GeV. By analyzing hadronic multiplicities within the statistical hadronization model, we have studied the parameters of the source as a function of the number of the participating nucleons and the beam energy. We observe a nice smooth behaviour of temperature, baryon chemical potential and strangeness under-saturation parameter as a function of energy and nucleus size. Interpolating formulas are provided which allow to predict the chemical freeze-out parameters in central collisions at centre-of-mass energies > 4.5 GeV and for any colliding ions. Specific discrepancies between data and model emerge in particle ratios in Pb-Pb collisions at SPS between 20A and 40A GeV of beam energy which cannot be accounted for in the considered model schemes.
We study forward-backward charge fluctuations to probe the correlations among produced particles in ultra relativistic heavy ion collisions. We develop a model that describes the forward-backward dynamical fluctuations and apply it to interpret the recent PHOBOS data. Within the present model, the dynamical fluctuations are related to the particle production mechanism via cluster decay and to long range correlations between the forward and backward rapidity hemispheres. We argue that with a tight centrality cut, PHOBOS may see a strong decrease of the dynamical fluctuations. Within the present model, this deterioration of the correlation among the produced hadrons can be interpreted as a sign for the production of a hot, dense and interacting medium.
Two-particle correlation data are presented for the reaction Ar (800 MeV/ nucleon) + Pb. The experimental results are analyzed in the nuclear fluid dynamical and in a linear cascade model. We demonstrate that the collective hydrodynamical correlations dominate the measured two-particle correlation function for the heavy system studied. We discuss the transition from the early stages of the reaction which are governed by few nucleon correlations, to the later stages with their macroscopic flow which can only be reached using heavy colliding systems. The sensitivity of the correlation data on the underlying compressional dissipative processes is analyzed.
The fluid dynamical model is used to study the reactions 20Ne+238U and 40Ar+40Ca at Elab=390 MeV/nucleon. The calculated double differential cross sections d²ð/dΩdE exhibit sidewards maxima in agreement with recent experimental data. The azimuthal dependence of the triple differential distributions, to be obtained from an event-by-event analysis of 4π; exclusive experiments, can yield deeper insight into the collision process: Jets of nuclear matter are predicted with a strongly impact-parameter-dependent thrust angle θjet(b). NUCLEAR REACTIONS Ar+Ca, Ne+U, Elab=393 MeV/nucleon, fluid dynamics with thermal breakup, double differential cross sections, azimuthal dependence of triple differential cross sections, event-by-event thrust analysis of 4π exclusive experiments.
Measurement of complex fragments and clues to the entropy production from 42-137-MeV/nucleon Ar + Au
(1983)
Intermediate-rapidity fragments with A=1-14 emitted from 42-137-MeV/nucleon Ar + Au have been measured. Evidence is presented that these fragments arise from a common moving source. Entropy values are extracted from the mass distributions by use of quantum statistical and Hauser-Feshbach theories. The extracted entropy values of S/A≈2-2.4 are much smaller than the values expected from measured deuteron-to-proton ratios, but are still considerably higher than theoretically predicted values.
Proton spectra have been calculated for the reaction 12C(85 MeV/nucleon) + 197Au using a three-dimensional hydrodynamical model with viscosity and thermal conductivity and final thermal breakup. The theoretical results are compared to recent data. It is shown that the predicted flow effects are not observable as a result of the impact parameter averaging inherent in the inclusive proton spectra. In contrast, angular distributions of medium mass nuclei (A>3) in nearly central collisions can provide signatures for flow effects.
The time dependent Hartree-Fock approximation is used to study the dynamical formation of long-lived superheavy nuclear complexes. The effects of long-range Coulomb polarization are treated in terms of a classical quadrupole polarization model. Our calculations show the existence of "resonantlike" structures over a narrow range of bombarding energies near the Coulomb barrier. Calculations of 238U + 238U are presented and the consequences of these results for supercritical positron emission are discussed. NUCLEAR REACTIONS 238U + 238U collisions as a function of bombarding energy, in the time-dependent Hartree-Fock approximation. Superheavy molecules and strongly damped collisions.
Energy spectra for p, d, t, 3He, 4He, and 6He from the reaction 12C+197Au at 35 MeV/nucleon are presented. A common intermediate rapidity source is identified using a moving source fit to the spectra that yields cross sections which are compared to analogous data at other bombarding energies and to several different models. The excitation function of the composite to proton ratios is compared with quantum statistical, hydrodynamic, and thermal models.
Microscopic calculations of collective flow probing the short-range nature of the nuclear force
(1984)
Collisions between two nuclei have been modeled by numerical solution of classical approximations to the equations of motion of the constituent nucleons. For the reaction Nb(400 MeV/u)+Nb, a correlated sidewards emission of nucleons is observed. This is attributed to the repulsive short-range component of the nucleon-nucleon potential. A strong dependence of the flow angle on the impact parameter is observed, in accord with recent experimental results.
Rapidity dependence of entropy production in proton- and nucleus-induced reactions on heavy nuclei
(1984)
The entropy of hot nuclear systems is deduced from the mass distribution of fragments emitted from high energy proton- and nucleus-induced reactions via a quantum statistical model. It is found that the entropy per baryon, S/A, of intermediate rapidity ("participant") fragments is higher than the entropy of target rapidity ("spectator") fragments. The spectator fragments exhibit S/A values of ≅ 1.8 independent of the projectile energy from 30 MeV/nucleon up to 350 GeV. This value of the entropy coincides with the entropy at which nuclear matter becomes unbound.
Kinetic energy flow in Nb(400 A MeV) + Nb: evidence for hydrodynamic compression of nuclear matter
(1984)
A kinetic-energy—flow analysis of multiplicity-selected collisions of 93Nb(Elab=400A MeV)+93Nb is performed on the basis of the nuclear fluid dynamical model. The effects of finite particle numbers on the flow tensor are explicitly taken into account. Strong sidewards peaks are predicted in dN/dcosθF, the distribution of event by event flow angles. This is in qualitative agreement with recent data from the "Plastic Ball" electronic detection system. Cascade simulations fail to reproduce the data.
Nuclear collisions from 0.3 to 2 GeV/nucleon are studied in a microscopic theory based on Vlasov's self-consistent mean field and Uehling-Uhlenbeck's two-body collision term which respects the Pauli principle. The theory explains simultaneously the observed collective flow and the pion multiplicity and gives their dependence on the nuclear equation of state.
The novel momentum analysis technique introduced by Danielewicz and Odyniec can be used to detect and exhibit collective flow in the light system Ar(1800 MeV/nucleon) + KCl where the usual kinetic energy flow analysis fails. The microscopic Vlasov-Uehling-Uhlenbeck theory which includes the nuclear mean field, two-body collisions, and Pauli blocking is used to study this phenomenon. The resulting transverse momentum transfers turn out to be quite sensitive to the nuclear equation of state. From a comparison with experimental data, evidence is presented for a rather stiff nuclear equation of state. The cascade model is unable to describe the data.
The role of nonequilibrium and quantal effects in fast nucleus-nucleus collisions is studied via the Vlasov-Uehling-Uhlenbeck theory which includes the nuclear mean field dynamics, two-body collisions, and Pauli blocking. The intranuclear cascade model, where the dynamics is governed by independent NN collisions, and the Vlasov equation, where the nuclear mean field determines the collision dynamics, are also studied as reference cases. The Vlasov equation (no collision term) yields single particle distribution functions which–after the reaction–are only slightly modified in momentum space; even in central collisions, transparency is predicted. This is in agreement with the predictions of the quantal time-dependent Hartree-Fock method. In contrast, large momentum transfer is obtained when the Uehling-Uhlenbeck collision term is incorporated; then the final momentum distribution is nearly spherically symmetric in the center of mass and a well-equilibrated nuclear system is formed: the nuclei stop each other; the translational kinetic energy is transformed into randomized microscopic motion. The Vlasov-Uehling-Uhlenbeck theory is supplemented with a phase space coalescence model of fragment formation. Calculated proton spectra compare well with recent data for Ar(42, 92, and 137 MeV/nucleon) + Ca. Also the total yields of medium mass fragments are well reproduced in the present approach. The mean field dynamics without two-body collisions, on the other hand, exhibits forward peaked proton distributions, in contrast to the data. The cascade approach underpredicts the yields of low energy protons by more than an order of magnitude.