530 Physik
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Mit zunehmender Automatisierung - sowohl der industriellen Herstellungsverfahren, als auch ihrer Produkte - hat die Regelungstechnik stark an Bedeutung gewonnen. Das Prinzip der Regelung jedoch ist schon lange bekannt. Erste Anwendungen finden sich bereits in der Antike (230 v.Chr. Philon von Byzanz, Schwimmerregelung für Öllampen). Das wohl prominenteste Beispiel ist der Drehzahlregler für Dampfmaschinen, den James Watt 1788 konstruierte. Eine Theorie des Regelkreises wurde dagegen erst Ende des letzten Jahrhunderts entwickelt. Damit war der Weg für den verbreiteten Einsatz von Regelungstechnik geebnet. Aber ihre Bedeutung geht über die rein technischen Prozesse hinaus, indem sich die Theorie der Regelkreise auch zur Untersuchung nichttechnischer zum Beispiel biologischer oder gesellschaftlicher Prozesse anwenden läßt. Viele dieser Prozesse laufen nach dem Prinzip der Regelung ab, denn sie werden auch bei Wirkung äußerer Störungen aufrechterhalten. In diesen Bereichen wird allgemeiner von Kybernetik gesprochen [Steinbuch]. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird eine Einführung in die Regelungstechnik gegeben. Daran schließen sich im zweiten Teil Untersuchungen zur Magnetschwebekugel an. Diese theoretischen Betrachtungen sollen als Grundlage für den Aufbau eines Experiments zur Magnetschwebekugel dienen, das im Rahmen des Physikalischen Praktikums für Fortgeschrittene des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Frankfurt geplant ist. Anhand einer von einem Elektromagneten in der Schwebe gehaltenen Kugel werden sich die Teilnehmer und Teilnehmerinnen mit den Prinzipien der Regelungstechnik vertraut machen können. Dieser Versuch ist in zweierlei Hinsicht interessant. Das System Elektromagnet - Kugel ist ohne Regelung nicht stabil, das heißt die Kugel kann nicht an einem beliebigen Ort unterhalb des Magneten fixiert werden. Dies entspricht auch der Erfahrung. Um so erstaunlicher ist es, wenn der Versuch zu einer Stabilisierung führt. Die verwendeten Methoden entstammen vollständig der Theorie der linearen Regelungen, sodaß der Versuch als elementare Einführung in die Regelungstechnik verstanden werden kann.
In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen zur Ion-Festkörper Wechselwirkung vorgestellt, die zu Sekundärionen-Emissionsprozessen führen. Das Ziel ist hierbei, aus den Experimenten Informationen über den Ursprung, die Bindungsmechanismen und die Evolution der Sekundärionen (SI) zu erhalten und die experimentellen Daten mit Rechnungen eines kürzlich entwickelten Desorptions-Modells zu vergleichen. Die Untersuchungen sind in zwei Gebiete unterteilt, die 1.) den Einfluß von Projektil-Eigenschaften wie Energie, Masse und Ladung auf die SI-Emission und 2.) den Einfluß von Targeteigenschaften wie Temperatur und Material auf die SI-Emission zum Gegenstand haben. Die gemessenen H+- - und CxH+- y -SI entstammen einer Oberflächen-Kontaminationsschicht der untersuchten C- und LiF-Targets. Die untersuchten Li+-SI entstammen unmittelbar der LiF-Oberfläche. Zum Studium der SI-Emission werden hier H-, C-, N-, Ar-, Kr- und Sn-Projektile, im Bereich ihres maximalen elektronischen Bremsvermögens Se = (dE=dx)e, eingesetzt. Die von der Projektil-Eintrittsoberfläche emittierten SI werden in Koinzidenz mit jenen unter Hochvakuum-Bedingungen mit einem zylindrischen und einem neu konstruierten linearen Flugzeitspektrometer gemessen. Die Abhängigkeit der SI-Emission von der Projektilgeschwindigkeit (”Geschwindigkeitseffekt”) wird hervorragend durch ein kürzlich von Pereira und da Silveira [Per98a, Per00] entwickeltes Desorptions-Modell beschrieben und zeigt, daß leichte H+-SI einen anderen Emissionsort als schwere CxH+- y -SI entstammen. Diese Resultate werden durch Messungen, die den Einfluß des Projektilladungszustands auf die SI-Ausbeute betrachten, bestätigt. Eine ladungsabhäangige Modifikation des neuen Desorptions-Modells erlaubt zusätzlich, aus den gemessenen relativen SI-Ausbeuten, den Abstand des Emissionsortes von der Spurachse des Projektils zu bestimmen. Aus Untersuchungen zum Einfluß der Projektilmasse auf die SI-Emission folgt zudem eine Korrelation im Emissionsverhalten zwischen H+-SI der Kontaminationsschicht und Li+-SI der tatsächlichen Targetoberfläche. Der Grund hierfür liegt im gleichen Emissionsort dieser beiden unterschiedlichen SI, der von ihrer Bindungsenergie an der Targetoberfläche abhängt. Kontrollierte Variation der LiF- und Cu-Targettemperatur mit einem neu konstruiertem Targethalter zeigen, daß H+-SI im Bereich von 300K <= T <= 380K nahezu vollständig und unabhängig vom Targetmaterial aus der CxHy-Oberflächen-Kontaminationschicht emittiert werden. Durch die Anpassung von Langmuir-Isothermen an die gemessenen SI-Ausbeuten gelingt die Bestimmung der Bindungsenergien EB der CxH+ y -SI, die unmittelbar die LiF- bzw. Cu-Oberfläche bedecken. Das weist auf intermolekulare Bindungen zwischen den CxH+ y -SI und der Oberfläche hin. Die Resultate dieser Rechnung zeigen auch, daß die CxH+ y -SI aus unterschiedlichen Emissionsorten emittiert werden. Hohe Targettemperaturen (< 450K) führen überraschenderweise beim LiF-Target zusätzlich zu einer Metallisierung der Oberfläche, die sich bei weiterer Temperaturerhöhung als Phasenübergang des Targetmaterials auswirkt. Messungen an deuterierten und hydrogenierten Targets zeigen zudem, daß SI-Emission aus dem Targetvolumen nur beim Überschreiten einer hohen Emissionsschwelle Se(> 1700 +- 50eV=A° ) erfolgt.
Energiezustände in einem Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
(2005)
In dieser Arbeit werden Energiezustände in einem GaAs/Al0:3Ga0:7As-Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Dabei liegt das elektrische Feld F in Wachstumsrichtung an, während das Magnetfeld B senkrecht dazu in der Ebene der Schichten orientiert ist. Es werden die experimentellen Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie angewendet. Die experimentellen Ergebnisse werden sowohl mit theoretischen Berechnungen verglichen als auch mit zeitaufgelösten Daten in Bezug gesetzt. Sowohl in den Elektroreflexions- als auch in den Transmissionsspektren lassen sich je nach relativem Wert des elektrischen und magnetischen Feldes B=F = x drei verschiedene Bereiche unterscheiden. Für kleines x sind Wannier-Stark-Übergänge sichtbar, die sich mit steigendem B-Feld zu höheren Energien verschieben. Die auffälligste Beobachtung ist das Verschwinden der Wannier-Stark-Zustände mit steigendem Magnetfeld: Bei mittlerem x, wenn die magnetische Energie ~!C die Größenordnung der elektrischen Energie ~!B erreicht, beobachtet man einen nahezu strukturlosen Übergangsbereich. Für größere Magnetfeldstärken lassen sich wieder Übergänge identifizieren, die Landau-Charakter besitzen. Die Exzistenz eines strukturlosen Übergangsbereichs unterscheidet die Geometrie gekreuzter Felder wesentlich von der Konfiguration parallel gerichteter Felder (F- und B-Feld in Wachstumsrichtung [5]). Der Übergangsbereich wurde bereits zuvor beobachtet [65], eine Erklärung seines Ursprungs stand jedoch noch aus. Letztere gewinnen wir aus der Zusammenarbeit mit der Theorie: Auf der Grundlage der Modellrechnungen von S. Glutsch und S. Stepanow aus Jena lässt sich feststellen, dass jeder Wannier-Stark-Zustand in Anwesenheit eines Magnetfeldes in Landau-Zustände aufspaltet. Mit steigendem Magnetfeld verschieben sich diese, wie auch die Wannier-Stark-Zustände, zu höheren Energien, so dass sich eine wachsende Anzahl von Zuständen energetisch annähert. Die Wechselwirkung von Zuständen führt zu vermiedenen Überkreuzungen und damit zu einer Verteilung der Oszillatorstärke, so dass die Stärke jedes einzelnen Zustands abnimmt und einzelne Linien nicht mehr aufzulösen sind. Interessanterweise spielt die Verkürzung der Lebenszeit der involvierten Zustände (homogene Linienverbreiterung) eine untergeordnete Rolle bei der Entstehung des Übergangsbereichs. Auch hinsichtlich anderer Aspekte ist die Übereinstimmung von Theorie und Experiment zufriedenstellend: Die auf Grundlage der Einteilchen-Theorie vorhergesagte energetische Verschiebung der Wannier-Stark- und Landau-Niveaus mit steigendem Magnetfeld kann experimentell mittels Elektroreflexionsmessungen verifiziert werden. Die experimentellen Absorptionsspektren lassen sich direkt mit den theoretischen Absorptionsspektren vergleichen und zeigen die vorhergesagten Energieübergänge. Darüberhinaus sind Fano-Resonanzen als asymmmetrische Linienprofile zu beobachten. Das Zusammenspiel von Theorie und Experiment stellt sich demnach in dieser Arbeit als sehr fruchtbar heraus: Die vorgestellten Experimente leisten der Theorie einen Dienst, indem sie wesentliche theoretische Vorhersagen experimentell verifizieren. Andererseits gewinnt das Verständnis der experimentellen Beobachtungen erst durch theoretische Erkenntnisse sein Fundament. Während der Vergleich von Theorie und Experiment weitgehend abgeschlossen ist [21], wirft der Vergleich der spektral aufgelösten Daten mit zeitaufgelösten Messergebnissen noch ungelöste Fragen auf. Die Dynamik optisch angeregter Wellenpakete lässt sich analog zu den Elektroreflexions- und Absorptionsspektren in ein elektrisch-dominiertes Regime für kleines B=F = x und ein magnetisch-dominiertes Regime für großes x unterteilen. Die beiden Bereiche sind durch einen mittleren x-Wert separiert, bei dem keine kohärenten Oszillationen zu beobachten sind. Dieser Übergang findet entgegen der Erwartung nicht bei dem gleichen x-Wert statt wie in spektral aufgelösten Daten. In der vorliegenden Arbeit wird dieser Befund präzisiert: Absorptionsspektren werden mit TEOS-Spektren (englisch: transmittive electrooptic sampling), Elektroreflexionsdaten mit REOS-Spektren (englisch: reflective electro-optic sampling) verglichen. Sehr deutlich ist die Diskrepanz zu erkennen: In spektral aufgelösten Daten liegt der Übergangsbereich bei größeren x-Werten als in zeitaufgelösten Daten, so dass im spektralen Übergangsbereich wieder langlebige Oszillationen in den zeitaufgelösten Messungen zu beobachten sind. Umgekehrt sind in den spektral aufgelösten Messungen noch deutliche Strukturen erkennbar, wenn am dynamischen Übergang zwischen elektrisch- und magnetisch-dominiertem Regime Oszillationen ausbleiben. Die Experimente dieser Arbeit motivieren demnach die weitere Beschäftigung mit folgenden Problemen: Die Diskrepanz zwischen spektral- und zeitaufgelösten Daten hinsichtlich des Übergangsbereichs muss in Zukunft theoretisch behandelt werden. Es besteht bereits ein Angebot von M. M. Dignam, sich des Problems anzunehmen. Damit verbunden ist die Frage nach der genauen Bedingung für den Übergangsbereich in den spektralen Daten, da die bisherige Bedingung zu grob zu sein scheint. Die Untersuchung von Energiezuständen in Halbleiterübergittern wird auch in Zukunft eine Rolle spielen. Nachdem die Geometrien von parallel und senkrecht orientiertem B und F eingehend behandelt wurden, stellt nun der Fall arbiträrer Feldanordnung eine neue Aufgabe dar. Wenn das Magnetfeld mit dem elektrischen Feld einen arbiträren Winkel einschließt, wird in zeitaufgelösten Messungen eine Kopplung von Magneto-Bloch- und Zyklotron-Oszillationen beobachtet, die sich in einem kohärenten Quasi-DC-Strom und verstärkter Feldabschirmung ausdrückt [58]. Es wäre interessant zu untersuchen, mit welchen spektralen Eigenschaften diese dynamischen Befunde korrespondieren. Hierzu bieten sich die Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie an, die sich in dieser Arbeit als geeignet erwiesen haben.
Hf-Fokussierung
(1989)
Untersuchungen zu mikrowellenfokussierenden Beschleunigerstrukturen für zukünftige lineare Collider
(1993)
Zur Erforschung immer kleinerer Strukturen der Materie benötigt die Elementarteilchenphysik Teilchenstrahlen höchster Energie. Gegenwärtig sind das Higgs-Boson und das Top-Quarks‘ die Objekte des größten physikalischen Interesses. Das sog. “Top” ist das sechste und bisher noch nicht nachgewiesene Mitglied der Quark-Familie. Seine Masse wird unterhalb von etwa 180GeV vermutet. Das Higgs-Boson spielt im sog. Standardmodell der Elementarteilchen eine wichtige Rolle. Seine Masse wird ebenfalls im Bereich zwischen 100 und 200GeV vermutet. Es gibt eine gute Chance, das Top am Protonen- Antiprotonen-Beschleuniger TEVATRON des Fermilab in Chicago nachzuweisen. Seine physikalischen Eigenschaften lassen sich aber erst an zukünfligen Beschleunigem mit höherer Energie bestimmen. Gegenwärtig werden daher mehrere verschiedene Beschleunigerkonzepte erwogen oder sind bereits in Planung bzw. im Bau. Das Spektrum reicht dabei von Protonen-Antiprotonen- bis zu Elektronen-Positronen-Maschinen. Ein vielversprechender Ansatz zur Erzeugung der benötigten Teilchenenergien ist der lineare Elektronen-Positronen-Collider, im folgenden immer als linearer Collider bezeichnet. Das Verhältnis von Meßsignal zu Hintergrund ist bei e+-e-Kollisionen besser als bei Protonen-Kollisionen. Es entstehen keine Partonen, wodurch die zur Verfugung stehende Energie effektiver genutzt werden kann [ 11. Weiterhin ist der lineare Collider im Vergleich zu einer zirkularen Maschine gleicher Endenergie und Luminosität auf lange Sicht kostengünstiger, da keine zusätzliche Hf-Leistung zur Kompensation von Synchrotronstrahlungsverlusten nötig ist. Die für die Experimente erforderliche hohe Luminosität bedingt Teilchenstrahlen von niedrigster Emittanz und geringster Energieverschmierung sowohl innerhalb eines einzelnen Teilchenpaketes als auch zwischen den Bunchen selbst [2]. Zur Erhaltung der Strahlqualität über die volle Lange des Beschleunigers ist es deshalb notwendig, ein akkurates Strahlführungssystem zu entwickeln, das es gestattet, auftretenden Strahlinstabilitäten wirksam zu begegnen. Grund der Instabilitäten sind elektromagnetische Felder, sogenannte Wake- oder Kielwellenfelder, die die Teilchen bei der Durchquerung des Beschleunigers selbst anfachen. Die Teilchenpakete werden dadurch radial von der Achse abgelenkt, sie werden verformt und erfahren eine Impulsverschmierung. Transversale Einzelbunch-Instabilitäten (SBBU, Single Bunch Beam Breakup) kann man durch die Einführung einer Energieverschmierung innerhalb eines Teilchenpakets bekämpfen; in Verbindung mit einer äußeren Strahlführung erreicht man eine Bedämpfung der Instabilität [3]. Als Alternative oder Ergänzung zu äußeren Fokussierungsmaßnahmen erscheint es deshalb interessant, inwieweit man durch geeignete Modifikationen an den Beschleunigerstrukturen die Hochfrequenzfelder selbst zur Erzeugung der benötigten Fokussierung heranziehen kann. Da es sehr schwierig ist, die für das Experiment geforderte Luminosität mit einem einzelnen Bunch zu erzeugen, muß man mehrere Teilchenpakete in kurzem Abstand durch den Beschleuniger schicken. Jetzt erfährt aber jeder Bunch die aufsummierten Wakefelder der ihm vorausfliegenden Teilchenpakete. Um zu verhindern, daß die transversale Strahlablage inakzeptabel groß wird, müssen Maßnahmen zur Kontrolle dieser Vielteilchen-Instabilitäten (MBBU, Multibunch Beam Breakup) getroffen werden. Das bedeutet, die Güten dieser als Long-Range-Wakes bezeichneten Störmoden müssen, je nach Collider, durch konstruktive Maßnahmen auf Werte in der Größenordnung von zehn abgesenkt werden. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit theoretischen Anwendungsmöglichkeiten von hochfrequenzfokussierenden Beschleunigerstrukturen in linearen Collidem bei Einzel- und Multibunch-Betrieb. In Kap. 2 wird eine kurze Einführung in die Problematik von Höchstenergiebeschleunigem gegeben. Anschließend werden in Kap. 3 Irisstrukturen und ihre Kenngrößen behandelt. Kap. 4 gibt eine Einführung in das Wakefeld-Konzept. Es wird untersucht, welche Resonatormoden für den Strahl gefährlich sind; die Wakepotentiale werden mit Resonatorkenngrößen in Verbindung gebracht. In Kap. 5 schließt sich eine Betrachtung zum SBBU an. Es wird untersucht, inwieweit Irisstrukturen und Rechteckblendenstrukturen (MWQ-Strukturen) zur direkten Hochfrequenzfokussierung eingesetzt werden können. Die Eigenschaften einer MWQ-Struktur werden vermessen und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Beispiele fiir hypothetische Collider in verschiedenen Frequenzbereichen werden diskutiert. Im anschließenden Kap. 6 wird der Mechanismus des MBBU erläutert und Möglichkeiten zur Bedämpfung insbesondere von MWQ-Strukturen im Multibunch-Betrieb untersucht. Meßergebnisse an Modellstrukturen werden vorgestellt und am Beispiel von einem S- und X-Band- Collider diskutiert.
In dieser Arbeit konnten erstmals differentielle Ionisationswirkungsquerschnitte für Antimaterie-Materie-Stöße gemessen werden. Mit Hilfe der COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (COLTRIMS) wurden die Stoßsysteme p± + He ® p± + He+1 + ebei einer Einschußenergie von etwa 1 MeV untersucht. Die experimentellen Ergebnisse für die Einfachionisation von Helium durch Antiprotonenstöße werden mit denen für Protonenstöße verglichen. Dies erlaubt den Stoßmechanismus in Abhängigkeit von der Richtung der störenden Kraft zu studieren. Als Ergebniss konnte die Post-Collision-Interaction (PCI) in der longitudinalen Richtung des Stoßes (Projektilrichtung) quantitativ bestimmt werden. Trotz der großen experimentellen Schwierigkeiten (hochenergetischer Antiprotonenstrahl, geringer Antiprotonenstrom, große Strahldivergenz und Strahlungsuntergrund durch Antiprotonenzerfall) konnten absolute die Wirkungsquerschnitte in Abhängigkeit vom Longitudinalimpuls gemessen werden. Innerhalb der experimentellen Fehler zeigen die Longitudinalimpulsverteilungen keine Abhängigkeit vom Projektilvorzeichen. Die folgende Tabelle faßt die mittleren Impulse des Elektrons und des Rückstoßions für Antiprotonen- und Protonenstöße zusammen Rückstoßion Elektron Antiproton 0.07±0.045 a.u. 0.087±0.039 a.u. Proton 0.075±0.025 a.u. 0.075±0.007 a.u. Die Tabelle zeigt, daß nach dem Stoß die Elektronen in beiden Stoßsystemen etwas nach vorne emittiert werden. Das steht im Widerspruch zu den theoretischen Vorhersagen, wonach erwartet wird, daß die Elektronen im Protonenstoß etwas nach „vorne“ und im Antiprotonenstoß etwas nach „hinten“ emittiert werden. Das Rückstoßion agiert in beiden Systemen als Beobachter. Dies widerspricht ebenfalls den Vorhersagen, wonach erwartet wird, daß das Rückstoßion im Protonenstoß etwas nach hinten und im Antiprotonenstoß etwas nach vorne emittiert wird. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine bessere Übereinstimmung mit den Continuum-Distorted-Wave (CDW) Rechnungen als mit den Classical- Trajectory-Monte-Carlo (CTMC) Rechnungen. Im Vergleich zur Stößen mit schnellen hochgeladenen Ionen zeigen die Daten dieser Arbeit, daß die Elektronen die Impulsverluste des Projektils kompensieren, während in hochgeladenen Ion-Atom-Stöße die Rückstoßionen den Impuls der Elektronen kompensieren.
Evidence for an exotic S=-2, Q=-2 baryon resonance in proton-proton collisions at the CERN SPS
(2004)
Results of resonance searches in the Xi - pi -, Xi - pi +, Xi -bar+ pi -, and Xi -bar+ pi + invariant mass spectra in proton-proton collisions at sqrt[s]=17.2 GeV are presented. Evidence is shown for the existence of a narrow Xi - pi - baryon resonance with mass of 1.862±0.002 GeV/c2 and width below the detector resolution of about 0.018 GeV/c2. The significance is estimated to be above 4.2 sigma . This state is a candidate for the hypothetical exotic Xi --3/2 baryon with S=-2, I=3 / 2, and a quark content of (dsdsu-bar). At the same mass, a peak is observed in the Xi - pi + spectrum which is a candidate for the Xi 03/2 member of this isospin quartet with a quark content of (dsusd-bar). The corresponding antibaryon spectra also show enhancements at the same invariant mass.
The results from the STAR Collaboration on directed flow (v1), elliptic flow (v2), and the fourth harmonic (v4) in the anisotropic azimuthal distribution of particles from Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV are summarized and compared with results from other experiments and theoretical models. Results for identified particles are presented and fit with a blast-wave model. Different anisotropic flow analysis methods are compared and nonflow effects are extracted from the data. For v2, scaling with the number of constituent quarks and parton coalescence are discussed. For v4, scaling with v22 and quark coalescence are discussed.
Midrapidity open charm spectra from direct reconstruction of D0(D0-bar)-->K± pi ± in d+Au collisions and indirect electron-positron measurements via charm semileptonic decays in p+p and d+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV are reported. The D0(D0-bar) spectrum covers a transverse momentum (pT) range of 0.1<pT<3 GeV/c, whereas the electron spectra cover a range of 1<pT<4 GeV/c. The electron spectra show approximate binary collision scaling between p+p and d+Au collisions. From these two independent analyses, the differential cross section per nucleon-nucleon binary interaction at midrapidity for open charm production from d+Au collisions at BNL RHIC is d sigma NNcc-bar/dy=0.30±0.04(stat)±0.09(syst) mb. The results are compared to theoretical calculations. Implications for charmonium results in A+A collisions are discussed.
We present the first large-acceptance measurement of event-wise mean transverse momentum <pt> fluctuations for Au-Au collisions at nucleon-nucleon center-of-momentum collision energy sqrt[sNN] = 130 GeV. The observed nonstatistical <pt> fluctuations substantially exceed in magnitude fluctuations expected from the finite number of particles produced in a typical collision. The r.m.s. fractional width excess of the event-wise <pt> distribution is 13.7±0.1(stat) ±1.3(syst)% relative to a statistical reference, for the 15% most-central collisions and for charged hadrons within pseudorapidity range | eta |<1,2 pi azimuth, and 0.15 <= pt <= 2 GeV/c. The width excess varies smoothly but nonmonotonically with collision centrality and does not display rapid changes with centrality which might indicate the presence of critical fluctuations. The reported <pt> fluctuation excess is qualitatively larger than those observed at lower energies and differs markedly from theoretical expectations. Contributions to <pt> fluctuations from semihard parton scattering in the initial state and dissipation in the bulk colored medium are discussed.
The short-lived K(892)* resonance provides an efficient tool to probe properties of the hot and dense medium produced in relativistic heavy-ion collisions. We report measurements of K* in sqrt[sNN]=200GeV Au+Au and p+p collisions reconstructed via its hadronic decay channels K(892)*0-->K pi and K(892)*±-->K0S pi ± using the STAR detector at the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory. The K*0 mass has been studied as a function of pT in minimum bias p+p and central Au+Au collisions. The K*pT spectra for minimum bias p+p interactions and for Au+Au collisions in different centralities are presented. The K*/K yield ratios for all centralities in Au+Au collisions are found to be significantly lower than the ratio in minimum bias p+p collisions, indicating the importance of hadronic interactions between chemical and kinetic freeze-outs. A significant nonzero K*0 elliptic flow (v2) is observed in Au+Au collisions and is compared to the K0S and Lambda v2. The nuclear modification factor of K* at intermediate pT is similar to that of K0S but different from Lambda . This establishes a baryon-meson effect over a mass effect in the particle production at intermediate pT (2<pT <= 4GeV/c).
We present a systematic analysis of two-pion interferometry in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV using the STAR detector at Relativistic Heavy Ion Collider. We extract the Hanbury-Brown and Twiss radii and study their multiplicity, transverse momentum, and azimuthal angle dependence. The Gaussianness of the correlation function is studied. Estimates of the geometrical and dynamical structure of the freeze-out source are extracted by fits with blast-wave parametrizations. The expansion of the source and its relation with the initial energy density distribution is studied.
Correlations in the hadron distributions produced in relativistic Au+Au collisions are studied in the discrete wavelet expansion method. The analysis is performed in the space of pseudorapidity (| eta | <= 1) and azimuth(full 2 pi ) in bins of transverse momentum (pt) from 0.14 <= pt <= 2.1GeV/c. In peripheral Au+Au collisions a correlation structure ascribed to minijet fragmentation is observed. It evolves with collision centrality and pt in a way not seen before, which suggests strong dissipation of minijet fragmentation in the longitudinally expanding medium.
Results on high transverse momentum charged particle emission with respect to the reaction plane are presented for Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. Two- and four-particle correlations results are presented as well as a comparison of azimuthal correlations in Au+Au collisions to those in p+p at the same energy. The elliptic anisotropy v2 is found to reach its maximum at pt~3 GeV/c, then decrease slowly and remain significant up to pt ~ 7-10 GeV/c. Stronger suppression is found in the back-to-back high-pt particle correlations for particles emitted out of plane compared to those emitted in plane. The centrality dependence of v2 at intermediate pt is compared to simple models based on jet quenching.
Azimuthally sensitive Hanbury Brown-Twiss interferometry in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV
(2004)
We present the results of a systematic study of the shape of the pion distribution in coordinate space at freeze-out in Au+Au collisions at BNL RHIC using two-pion Hanbury Brown-Twiss (HBT) interferometry. Oscillations of the extracted HBT radii versus emission angle indicate sources elongated perpendicular to the reaction plane. The results indicate that the pressure and expansion time of the collision system are not sufficient to completely quench its initial shape.
The pseudorapidity asymmetry and centrality dependence of charged hadron spectra in d+Au collisions at sqrt[sNN ]=200 GeV are presented. The charged particle density at midrapidity, its pseudorapidity asymmetry, and centrality dependence are reasonably reproduced by a multiphase transport model, by HIJING, and by the latest calculations in a saturation model. Ratios of transverse momentum spectra between backward and forward pseudorapidity are above unity for pT below 5 GeV/c . The ratio of central to peripheral spectra in d+Au collisions shows enhancement at 2< pT <6 GeV/c , with a larger effect at backward rapidity than forward rapidity. Our measurements are in qualitative agreement with gluon saturation and in contrast to calculations based on incoherent multiple partonic scatterings.
Transverse energy ( ET ) distributions have been measured for Au+Au collisions at sqrt[sNN ]=200 GeV by the STAR Collaboration at RHIC. ET is constructed from its hadronic and electromagnetic components, which have been measured separately. ET production for the most central collisions is well described by several theoretical models whose common feature is large energy density achieved early in the fireball evolution. The magnitude and centrality dependence of ET per charged particle agrees well with measurements at lower collision energy, indicating that the growth in ET for larger collision energy results from the growth in particle production. The electromagnetic fraction of the total ET is consistent with a final state dominated by mesons and independent of centrality.
We report inclusive photon measurements about midrapidity ( |y| <0.5 ) from 197 Au + 197 Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV at RHIC. Photon pair conversions were reconstructed from electron and positron tracks measured with the Time Projection Chamber (TPC) of the STAR experiment. With this method, an energy resolution of Delta E/E ~ 2% at 0.5 GeV has been achieved. Reconstructed photons have also been used to measure the transverse momentum ( pt ) spectra of pi 0 mesons about midrapidity ( |y| <1 ) via the pi 0 --> gamma gamma decay channel. The fractional contribution of the pi 0 --> gamma gamma decay to the inclusive photon spectrum decreases by 20%±5% between pt =1.65 GeV/c and pt =2.4 GeV/c in the most central events, indicating that relative to pi 0 --> gamma gamma decay the contribution of other photon sources is substantially increasing.
We present STAR measurements of charged hadron production as a function of centrality in Au+Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV . The measurements cover a phase space region of 0.2< pT <6.0 GeV/c in transverse momentum and -1< eta <1 in pseudorapidity. Inclusive transverse momentum distributions of charged hadrons in the pseudorapidity region 0.5< | eta | <1 are reported and compared to our previously published results for | eta | <0.5 . No significant difference is seen for inclusive pT distributions of charged hadrons in these two pseudorapidity bins. We measured dN/d eta distributions and truncated mean pT in a region of pT > pcutT , and studied the results in the framework of participant and binary scaling. No clear evidence is observed for participant scaling of charged hadron yield in the measured pT region. The relative importance of hard scattering processes is investigated through binary scaling fraction of particle production.
We report on the rapidity and centrality dependence of proton and antiproton transverse mass distributions from 197Au + 197Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV as measured by the STAR experiment at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Our results are from the rapidity and transverse momentum range of |y| <0.5 and 0.35< pt <1.00 GeV/c . For both protons and antiprotons, transverse mass distributions become more convex from peripheral to central collisions demonstrating characteristics of collective expansion. The measured rapidity distributions and the mean transverse momenta versus rapidity are flat within |y| <0.5 . Comparisons of our data with results from model calculations indicate that in order to obtain a consistent picture of the proton (antiproton) yields and transverse mass distributions the possibility of prehadronic collective expansion may have to be taken into account.
We present data on e+ e- pair production accompanied by nuclear breakup in ultraperipheral gold-gold collisions at a center of mass energy of 200 GeV per nucleon pair. The nuclear breakup requirement selects events at small impact parameters, where higher-order diagrams for pair production should be enhanced. We compare the data with two calculations: one based on the equivalent photon approximation, and the other using lowest-order quantum electrodynamics (QED). The data distributions agree with both calculations, except that the pair transverse momentum spectrum disagrees with the equivalent photon approach. We set limits on higher-order contributions to the cross section.
The transverse mass spectra and midrapidity yields for Xi s and Omega s are presented. For the 10% most central collisions, the Xi -bar+/h- ratio increases from the Super Proton Synchrotron to the Relativistic Heavy Ion Collider energies while the Xi -/h- stays approximately constant. A hydrodynamically inspired model fit to the Xi spectra, which assumes a thermalized source, seems to indicate that these multistrange particles experience a significant transverse flow effect, but are emitted when the system is hotter and the flow is smaller than values obtained from a combined fit to pi , K, p, and Lambda s.
Measurements of the production of forward high-energy pi 0 mesons from transversely polarized proton collisions at sqrt[s]=200 GeV are reported. The cross section is generally consistent with next-to-leading order perturbative QCD calculations. The analyzing power is small at xF below about 0.3, and becomes positive and large at higher xF, similar to the trend in data at sqrt[s] <= 20 GeV. The analyzing power is in qualitative agreement with perturbative QCD model expectations. This is the first significant spin result seen for particles produced with pT>1 GeV/c at a polarized proton collider.
Transverse mass and rapidity distributions for charged pions, charged kaons, protons, and antiprotons are reported for sqrt[sNN]=200 GeV pp and Au+Au collisions at Relativistic Heary Ion Collider (RHIC). Chemical and kinetic equilibrium model fits to our data reveal strong radial flow and long duration from chemical to kinetic freeze-out in central Au+Au collisions. The chemical freeze-out temperature appears to be independent of initial conditions at RHIC energies.
We report results on rho (770)0--> pi + pi - production at midrapidity in p+p and peripheral Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. This is the first direct measurement of rho (770)0--> pi + pi - in heavy-ion collisions. The measured rho 0 peak in the invariant mass distribution is shifted by ~40 MeV/c2 in minimum bias p+p interactions and ~70 MeV/c2 in peripheral Au+Au collisions. The rho 0 mass shift is dependent on transverse momentum and multiplicity. The modification of the rho 0 meson mass, width, and shape due to phase space and dynamical effects are discussed.
We report the first observations of the first harmonic (directed flow, v1) and the fourth harmonic (v4), in the azimuthal distribution of particles with respect to the reaction plane in Au+Au collisions at the BNL Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Both measurements were done taking advantage of the large elliptic flow (v2) generated at RHIC. From the correlation of v2 with v1 it is determined that v2 is positive, or in-plane. The integrated v4 is about a factor of 10 smaller than v2. For the sixth (v6) and eighth (v8) harmonics upper limits on the magnitudes are reported.
We present STAR measurements of the azimuthal anisotropy parameter v2 and the binary-collision scaled centrality ratio RCP for kaons and lambdas ( Lambda + Lambda -bar) at midrapidity in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. In combination, the v2 and RCP particle-type dependencies contradict expectations from partonic energy loss followed by standard fragmentation in vacuum. We establish pT ~ 5 GeV/c as the value where the centrality dependent baryon enhancement ends. The K0S and Lambda + Lambda -bar v2 values are consistent with expectations of constituent-quark-number scaling from models of hadron formation by parton coalescence or recombination.
Pion-kaon correlation functions are constructed from central Au+Au STAR data taken at sqrt[sNN]=130 GeV by the STAR detector at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). The results suggest that pions and kaons are not emitted at the same average space-time point. Space-momentum correlations, i.e., transverse flow, lead to a space-time emission asymmetry of pions and kaons that is consistent with the data. This result provides new independent evidence that the system created at RHIC undergoes a collective transverse expansion.
Data from the first physics run at the Relativistic Heavy-Ion Collider at Brookhaven National Laboratory, Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV, have been analyzed by the STAR Collaboration using three-pion correlations with charged pions to study whether pions are emitted independently at freeze-out. We have made a high-statistics measurement of the three-pion correlation function and calculated the normalized three-particle correlator to obtain a quantitative measurement of the degree of chaoticity of the pion source. It is found that the degree of chaoticity seems to increase with increasing particle multiplicity.
We report high statistics measurements of inclusive charged hadron production in Au+Au and p+p collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. A large, approximately constant hadron suppression is observed in central Au+Au collisions for 5<pT<12 GeV/c. The collision energy dependence of the yields and the centrality and pT dependence of the suppression provide stringent constraints on theoretical models of suppression. Models incorporating initial-state gluon saturation or partonic energy loss in dense matter are largely consistent with observations. We observe no evidence of pT-dependent suppression, which may be expected from models incorporating jet attenuation in cold nuclear matter or scattering of fragmentation hadrons.
We report measurements of single-particle inclusive spectra and two-particle azimuthal distributions of charged hadrons at high transverse momentum (high pT) in minimum bias and central d+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. The inclusive yield is enhanced in d+Au collisions relative to binary-scaled p+p collisions, while the two-particle azimuthal distributions are very similar to those observed in p+p collisions. These results demonstrate that the strong suppression of the inclusive yield and back-to-back correlations at high pT previously observed in central Au+Au collisions are due to final-state interactions with the dense medium generated in such collisions.
We present the results of charged particle fluctuations measurements in Au+Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV using the STAR detector. Dynamical fluctuations measurements are presented for inclusive charged particle multiplicities as well as for identified charged pions, kaons, and protons. The net charge dynamical fluctuations are found to be large and negative providing clear evidence that positive and negative charged particle production is correlated within the pseudorapidity range investigated. Correlations are smaller than expected based on model-dependent predictions for a resonance gas or a quark-gluon gas which undergoes fast hadronization and freeze-out. Qualitative agreement is found with comparable scaled p+p measurements and a heavy ion jet interaction generation model calculation based on independent particle collisions, although a small deviation from the 1/N scaling dependence expected from this model is observed.
The balance function is a new observable based on the principle that charge is locally conserved when particles are pair produced. Balance functions have been measured for charged particle pairs and identified charged pion pairs in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV at the Relativistic Heavy Ion Collider using STAR. Balance functions for peripheral collisions have widths consistent with model predictions based on a superposition of nucleon-nucleon scattering. Widths in central collisions are smaller, consistent with trends predicted by models incorporating late hadronization.
Azimuthal anisotropy (v2) and two-particle angular correlations of high pT charged hadrons have been measured in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV for transverse momenta up to 6 GeV/c, where hard processes are expected to contribute significantly. The two-particle angular correlations exhibit elliptic flow and a structure suggestive of fragmentation of high pT partons. The monotonic rise of v2(pT) for pT<2 GeV/c is consistent with collective hydrodynamical flow calculations. At pT>3 GeV/c, a saturation of v2 is observed which persists up to pT=6 GeV/c.
Azimuthal anisotropy (v2) and two-particle angular correlations of high pT charged hadrons have been measured in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV for transverse momenta up to 6 GeV/c, where hard processes are expected to contribute significantly. The two-particle angular correlations exhibit elliptic flow and a structure suggestive of fragmentation of high pT partons. The monotonic rise of v2(pT) for pT<2 GeV/c is consistent with collective hydrodynamical flow calculations. At pT>3 GeV/c, a saturation of v2 is observed which persists up to pT=6 GeV/c.
The STAR Collaboration reports the first observation of exclusive rho 0 photoproduction, AuAu-->AuAu rho 0, and rho 0 production accompanied by mutual nuclear Coulomb excitation, AuAu-->Au [star] Au [star] rho 0, in ultraperipheral heavy-ion collisions. The rho 0 have low transverse momenta, consistent with coherent coupling to both nuclei. The cross sections at sqrt[sNN]=130 GeV agree with theoretical predictions treating rho 0 production and Coulomb excitation as independent processes.
Inclusive transverse momentum distributions of charged hadrons within 0.2<pT<6.0 GeV/c have been measured over a broad range of centrality for Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV. Hadron yields are suppressed at high pT in central collisions relative to peripheral collisions and to a nucleon-nucleon reference scaled for collision geometry. Peripheral collisions are not suppressed relative to the nucleon-nucleon reference. The suppression varies continuously at intermediate centralities. The results indicate significant nuclear medium effects on high-pT hadron production in heavy-ion collisions at high energy.
We report STAR results on the azimuthal anisotropy parameter v2 for strange particles K0S, Lambda , and Lambda -bar at midrapidity in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV at the Relativistic Heavy Ion Collider. The value of v2 as a function of transverse momentum, pt, of the produced particle and collision centrality is presented for both particles up to pt~3.0 GeV/c. A strong pt dependence in v2 is observed up to 2.0 GeV/c. The v2 measurement is compared with hydrodynamic model calculations. The physics implications of the pt integrated v2 magnitude as a function of particle mass are also discussed.
We report the first measurement of strange ( Lambda ) and antistrange ( Lambda -bar) baryon production from sqrt[sNN]=130 GeV Au+Au collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Rapidity density and transverse mass distributions at midrapidity are presented as a function of centrality. The yield of Lambda and Lambda -bar hyperons is found to be approximately proportional to the number of negative hadrons. The production of Lambda -bar hyperons relative to negative hadrons increases very rapidly with transverse momentum. The magnitude of the increase cannot be described by existing hadronic string fragmentation models alone.
We report the first observation of K*(892)0--> pi K in relativistic heavy ion collisions. The transverse momentum spectrum of (K*0+K*0)/2 from central Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV is presented. The ratios of the K*0 yield derived from these data to the yields of negative hadrons, charged kaons, and phi mesons have been measured in central and minimum bias collisions and compared with model predictions and comparable e+e-, pp, and p-barp results. The data indicate no dramatic reduction of K*0 production in relativistic heavy ion collisions despite expected losses due to rescattering effects.
Elliptic flow holds much promise for studying the early-time thermalization attained in ultrarelativistic nuclear collisions. Flow measurements also provide a means of distinguishing between hydrodynamic models and calculations which approach the low density (dilute gas) limit. Among the effects that can complicate the interpretation of elliptic flow measurements are azimuthal correlations that are unrelated to the reaction plane (nonflow correlations). Using data for Au + Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV from the STAR time projection chamber, it is found that four-particle correlation analyses can reliably separate flow and nonflow correlation signals. The latter account for on average about 15% of the observed second-harmonic azimuthal correlation, with the largest relative contribution for the most peripheral and the most central collisions. The results are also corrected for the effect of flow variations within centrality bins. This effect is negligible for all but the most central bin, where the correction to the elliptic flow is about a factor of 2. A simple new method for two-particle flow analysis based on scalar products is described. An analysis based on the distribution of the magnitude of the flow vector is also described.
We present the first measurement of midrapidity vector meson phi production in Au+Au collisions at RHIC (sqrt[sNN]=130 GeV) from the STAR detector. For the 11% highest multiplicity collisions, the slope parameter from an exponential fit to the transverse mass distribution is T=379±50(stat)±45(syst) MeV, the yield dN/dy=5.73±0.37(stat)±0.69(syst) per event, and the ratio N phi /Nh- is found to be 0.021±0.001(stat)±0.004(syst). The measured ratio N phi /Nh- and T for the phi meson at midrapidity do not change for the selected multiplicity bins.
We report the first measurement of inclusive antiproton production at midrapidity in Au+Au collisions at sqrt[sNN] = 130 GeV by the STAR experiment at RHIC. The antiproton transverse mass distributions in the measured transverse momentum range of 0.25<pperp<0.95 GeV/c are found to fall less steeply for more central collisions. The extrapolated antiproton rapidity density is found to scale approximately with the negative hadron multiplicity density.
The first measurements of light antinucleus production in Au+Au collisions at the Relativistic Heavy-Ion Collider are reported. The observed production rates for d-bar and 3He-bar are much larger than in lower energy nucleus-nucleus collisions. A coalescence model analysis of the yields indicates that there is little or no increase in the antinucleon freeze-out volume compared to collisions at CERN SPS energy. These analyses also indicate that the 3He-bar freeze-out volume is smaller than the d-bar freeze-out volume.
We report first results on elliptic flow of identified particles at midrapidity in Au+Au collisions at sqrt[sNN] = 130 GeV using the STAR TPC at RHIC. The elliptic flow as a function of transverse momentum and centrality differs significantly for particles of different masses. This dependence can be accounted for in hydrodynamic models, indicating that the system created shows a behavior consistent with collective hydrodynamical flow. The fit to the data with a simple model gives information on the temperature and flow velocities at freeze-out.
The minimum-bias multiplicity distribution and the transverse momentum and pseudorapidity distributions for central collisions have been measured for negative hadrons ( h-) in Au+Au interactions at sqrt[sNN] = 130 GeV. The multiplicity density at midrapidity for the 5% most central interactions is dNh-/d eta | eta = 0 = 280±1(stat)±20(syst), an increase per participant of 38% relative to pp-bar collisions at the same energy. The mean transverse momentum is 0.508±0.012 GeV/c and is larger than in central Pb+Pb collisions at lower energies. The scaling of the h- yield per participant is a strong function of pperp. The pseudorapidity distribution is almost constant within | eta |<1.
Two-pion correlation functions in Au+Au collisions at sqrt[sNN] = 130 GeV have been measured by the STAR (solenoidal tracker at RHIC) detector. The source size extracted by fitting the correlations grows with event multiplicity and decreases with transverse momentum. Anomalously large sizes or emission durations, which have been suggested as signals of quark-gluon plasma formation and rehadronization, are not observed. The Hanbury Brown-Twiss parameters display a weak energy dependence over a broad range in sqrt[sNN].