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The isospin and strangeness dimensions of the Equation of State are explored. RIA and the SIS200 accelerator at GSI will allow to explore these regions in compressed baryonic matter. 132 Sn + 132 Sn and 100 Sn + 100 Sn collisions as well as the excitation functions of K/pi, Lambda/pi and the centrality dependence of charmonium suppression from the UrQMD and HSD transport models are presented and compared to data. Unambiguous proof for the creation of a 'novel phase of matter' from strangeness and charm yields is not in sight.
We study Mach shocks generated by fast partonic jets propagating through a deconfined strongly-interacting matter. Our main goal is to take into account different types of collective motion during the formation and evolution of this matter. We predict a significant deformation of Mach shocks in central Au+Au collisions at RHIC and LHC energies as compared to the case of jet propagation in a static medium. The observed broadening of the near-side two-particle correlations in pseudorapidity space is explained by the Bjorken-like longitudinal expansion. Three-particle correlation measurements are proposed for a more detailed study of the Mach shock waves.
Nonequilibrium models (three-fluid hydrodynamics, UrQMD, and quark molecular dynamics) are used to discuss the uniqueness of often proposed experimental signatures for quark matter formation in relativistic heavy ion collisions from the SPS via RHIC to LHC. It is demonstrated that these models - although they do treat the most interesting early phase of the collisions quite differently (thermalizing QGP vs. coherent color fields with virtual particles) -- all yield a reasonable agreement with a large variety of the available heavy ion data. Hadron/hyperon yields, including J/Psi meson production/suppression, strange matter formation, dileptons, and directed flow (bounce-off and squeeze-out) are investigated. Observations of interesting phenomena in dense matter are reported. However, we emphasize the need for systematic future measurements to search for simultaneous irregularities in the excitation functions of several observables in order to come close to pinning the properties of hot, dense QCD matter from data. The role of future experiments with the STAR and ALICE detectors is pointed out.
We study the effects of isovector-scalar meson delta on the equation of state (EOS) of neutron star matter in strong magnetic fields. The EOS of neutron-star matter and nucleon effective masses are calculated in the framework of Lagrangian field theory, which is solved within the mean-field approximation. From the numerical results one can find that the delta-field leads to a remarkable splitting of proton and neutron effective masses. The strength of delta-field decreases with the increasing of the magnetic field and is little at ultrastrong field. The proton effective mass is highly influenced by magnetic fields, while the effect of magnetic fields on the neutron effective mass is negligible. The EOS turns out to be stiffer at B < 10^15G but becomes softer at stronger magnetic field after including the delta-field. The AMM terms can affect the system merely at ultrastrong magnetic field(B > 10^19G). In the range of 10^15 G - 10^18 G the properties of neutron-star matter are found to be similar with those without magnetic fields.
A strong interest is currently going on in the physics of high intensity and high energy beams: intense proton or deuteron beams are required in various fields of science and industry, including sources of neutrons for research experiments and material processing, nuclear physics experiments, tritium production and nuclear waste transmutation. High current heavy ion beams are envisaged for power production facilities (inertial fusion). Several projects presently under study are based on rf linacs as driver, sometimes followed by accumulation and/or compressor rings [Acc98]. The critical issue for all of them is to be operated in a low loss regime, because of activation problems in the structure. For this reason careful investigations have to be performed in order to understand and control the beam behaviour, aiming at conserving the beam quality, reducing the emittance growth and filamentation and avoiding the formation of halo. The beam current to be accelerated is actually limited by the amount of beam losses, which depends upon the beam halo: in order to reduce induced radioactivity and to allow for hands-on maintenance, normally losses <1 W/m are considered as acceptable [Sto96]. One of the major facilities under study is the European Spallation Source (ESS), a project based on a H- linac accelerating a 107 mA peak current beam (360 ns pulse in the DTL) and on two compressor rings, producing 5 MW average beam power [ESS]. Also the USA are developing a proposal for a Spallation Neutron Source (SNS), providing a short pulse H- beam with average power of 1÷2 MW; a 30 mA linac is required [SNS]. The Accelerator for Production of Tritium (APT), studied at Los Alamos, requires a 100 mA proton beam current (cw) to produce a power of 130÷170 MW [APT]. A similar but smaller accelerator (40 mA, 40 MW beam power) would serve as driver for the Accelerator Driven Transmutation of Waste (ADTW) system [ATW]. The accelerator system for the International Fusion Material Irradiation Facility (IFMIF) will test the behaviour of materials to be used for magnetic fusion (e.g. ITER); it consists of two 125 mA deuteron beams in parallel, to generate a fusion-like neutron spectrum with 10 MW cw [IFM]. In the field of heavy ions, for about 20 years scientists have been working on inertial confinement fusion, as an alternative to magnetic confinement one, to find a practical and cleaner method for producing energy. Nuclear fusion occurs when the nuclei of lighter elements (in a state of matter called "plasma") merge to form heavier elements; the extremely high temperatures and densities needed to get the nuclei to collide in the proper way and release big amounts of energy are obtained in a small "pellet" of fusion fuel, which receives energy from laser or ion beams, implodes and its inertia compresses it hard enough to hold together the plasma until it reaches ignition. Both laser and accelerator facilities have been investigated as drivers, since a demonstration of ignition at low gains is more easily accessible by lasers, whereas the intrinsic properties of accelerators -efficiency and repetition rate- will be essential for a medium-gain power plant. One study for a fusion power system driven by heavy ion beams (HIBALL) was completed in Europe already in 1982 [Bad81]. When the USA declassified essential information on pellet design, "indirect drive" targets have been considered openly, where the pellet is hit by X-rays generated from laser or ion beams rather than directly from the beams. Main progress has been achieved during the latest years in the understanding of pellet dynamics after ignition, i.e. in plasma physics [Sym1][Sym2][Sym3][Bas97][Lut97], imposing also new requirements on the layout of the driver accelerator facilities. In 1994-95 Frankfurt University and several other European laboratories (leaded by GSI) started a new collaboration called HIDIF (Heavy Ion Driven Ignition Facility) in order to simplify the accelerator plant design owing to the new technique of indirectly driven targets and to some technological improvements. First studies were oriented towards the conceptual goal of a facility providing just enough beam energy for the ignition of fusion reactions at very low gain (a "proof of principle") [Hof98]. In a recent phase of the study, it was realized that the proposed concept would make this scheme a more appropriate choice for energy production rather than for ignition; the acronym HIDIF was therefore intended as Heavy Ion Driven Inertial Fusion, and the parameters are going to be modified accordingly [Hof96][Hof97][Hof98]. The scenario presently discussed by this group proposes the formation and acceleration of an intense beam (400 mA) of singly charged heavy ions of three different atomic species, with mass differences of about 10% (the reference one is 209Bi+) in a main rf linac; they are then injected into some storage rings at an energy of 50 MeV/u, bunched in induction linacs and finally transported to a target with different velocities in such a way that the three species merge on the pellet ("telescoping") at 500 TW peak power. In this thesis the main linac of the HIDIF proposal is extensively investigated as an example of a high intensity heavy ion linac. Results are presented from numerical simulations of multi-particle beam dynamics carried out for the first time in this context. After a short presentation of the HIDIF reference scenario (Ignition Facility), including a discussion of the motivations for a high current heavy ion linac, some elements of the theory of beam transport and acceleration are recalled [Con91][Hof82][Kap85] [Lap87][Law88][Mit78][Rei94][Str83]. Then the used simulation programs are described, and a particle dynamics layout of a conventional 200 MHz Alvarez DTL is discussed with respect to low emittance growth at high transmission, including large space-charge effects, taking into account the influence of different kinds of statistical errors and of input mismatch on the beam dynamics. The modifications needed for "telescoping" are investigated with simulations for the nominal mass difference (10%) and for a smaller one (5%); finally the transfer line between DTL and rings is discussed and studied both analytically and by numerical calculations. The large mass number (A= 209) helps to reduce the space-charge effects with respect to protons, therefore the behaviour of the beam is not space-charge dominated. Nevertheless the tune depression values (similar to those of the ESS linac e.g.) indicate that these effects cannot be neglected. For a linac with low duty cycle, as in the case of an ignition facility, the results from particle dynamics calculations can be considered as a reliable guideline for the DTL layout, since they indicate that such a high intensity linac can fulfill the requirements on smooth beam behaviour and low losses.
The D-meson spectral density at finite temperature is obtained within a self-consistent coupled-channel approach. For the bare meson-baryon interaction, a separable potential is taken, whose parameters are fixed by the position and width of the Lambda_c (2593) resonance. The quasiparticle peak stays close to the free D-meson mass, indicating a small change in the effective mass for finite density and temperature. However, the considerable width of the spectral density implies physics beyond the quasiparticle approach. Our results indicate that the medium modifications for the D-mesons in nucleus-nucleus collisions at FAIR (GSI) will be dominantly on the width and not, as previously expected, on the mass.
We study properties of compact stars with the deconfinement phase transition in their interiors. The equation of state of cold baryon-rich matter is constructed by combining a relativistic mean-field model for the hadronic phase and the MIT Bag model for the deconfined phase. In a narrow parameter range two sequences of compact stars (twin stars), which differ by the size of the quark core, have been found. We demonstrate the possibility of a rapid transition between the twin stars with the energy release of about 10 ^52 ergs. This transition should be accompanied by the prompt neutrino burst and the delayed gamma-ray burst.
Potential energy surfaces are calculated by using the most advanced asymmetric two-center shell model allowing to obtain shell and pairing corrections which are added to the Yukawa-plus-exponential model deformation energy. Shell effects are of crucial importance for experimental observation of spontaneous disintegration by heavy ion emission. Results for 222Ra, 232U, 236Pu and 242Cm illustrate the main ideas and show for the first time for a cluster emitter a potential barrier obtained by using the macroscopic-microscopic method.
The wave function of a spheroidal harmonic oscillator without spin-orbit interaction is expressed in terms of associated Laguerre and Hermite polynomials. The pairing gap and Fermi energy are found by solving the BCS system of two equations. Analytical relationships for the matrix elements of inertia are obtained function of the main quantum numbers and potential derivative. They may be used to test complex computer codes one should develop in a realistic approach of the fission dynamics. The results given for the 240 Pu nucleus are compared with a hydrodynamical model. The importance of taking into account the correction term due to the variation of the occupation number is stressed.
Complex fission phenomena
(2004)
Complex fission phenomena are studied in a unified way. Very general reflection asymmetrical equilibrium (saddle point) nuclear shapes are obtained by solving an integro-differential equation without being necessary to specify a certain parametrization. The mass asymmetry in binary cold fission of Th and U isotopes is explained as the result of adding a phenomenological shell correction to the liquid drop model deformation energy. Applications to binary, ternary, and quaternary fission are outlined.
We developed a three-center phenomenological model,able to explain qualitatively the recently obtained experimental results concerning the quasimolecular stage of a light-particle accompanied fission process. It was derived from the liquid drop model under the assumption that the aligned configuration, with the emitted particle between the light and heavy fragment, is reached by increasing continuously the separation distance, while the radii of the heavy fragment and of the light particle are kept constant. In such a way,a new minimum of a short-lived molecular state appears in the deformation energy at a separation distance very close to the touching point. This minimum allows the existence of a short-lived quasi-molecular state, decaying into the three final fragments.The influence of the shell effects is discussed. The half-lives of some quasimolecular states which could be formed in the $^{10}$Be and $^{12}$C accompanied fission of $^{252}$Cf are roughly estimated to be the order of 1 ns, and 1 ms, respectively.
A three-center phenomenological model able to explain, at least from a qualitative point of view, the difference in the observed yield of a particle-accompanied fission and that of binary fission was developed. It is derived from the liquid drop model under the assumption that the aligned configuration, with the emitted particle between the light and heavy fragment is obtained by increasing continuously the separation distance, while the radii of the light fragment and of the light particle are kept constant. During the first stage of the deformation one has a two-center evolution until the neck radius becomes equal to the radius of the emitted particle. Then the three center starts developing by decreasing with the same amount the two tip distances. In such a way a second minimum, typical for a cluster molecule, appears in the deformation energy. Examples are presented for $^{240}$Pu parent nucleus emitting $\alpha$-particles and $^{14}$C in a ternary process.
A very general saddle point nuclear shape may be found as a solution of an integro-differential equation without giving apriori any shape parametrization. By introducing phenomenological shell corrections one obtains minima of deformation energy for binary fission of parent nuclei at a finite (non-zero) mass asymmetry. Results are presented for reflection asymmetric saddle point shapes of thorium and uranium even-mass isotopes with A=226-238 and A=230-238 respectively.
Entwicklung und Aufbau eines Elektronenstrahl-Extraktionssystems für die Frankfurter EZR-Ionenquelle
(1998)
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Frankfurter 14.4GHz-EZR-(ve)RFQProjektes zur Erzeugung und Beschleunigung von hochgeladenen Ionen für atomphysikalische Experimente und zur Materialforschung. Die Kernelemente dieser Anlage sind eine 14.4 GHz Elektron-Zyklotron-Resonanz-Ionenquelle, ein 90-137° Analysiermagnet und ein Radio-Frequenz-Quadrupol-Beschleuniger mit variabler Energie. In der EZR-Ionenquelle werden hochgeladene Ionen durch Stöße mit schnellen Elektronen erzeugt. Die Elektronen werden durch Überlagerung eines magnetischen Doppelspiegelfeldes mit einem magnetischen Hexapolfeld in der Quelle eingeschlossen und durch Mikrowellenleistung nach dem Zyklotron-Resonanz-Prinzip auf hohe Energien beschleunigt. Bei der Entwicklung von Ionenquellen für hochgeladene Ionen verfolgt man das Ziel hohe Strahlströme bei höchsten Ladungszuständen und guten Strahlqualitäten (kleine Emittanzen) zu erreichen. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für die Extraktion von Ionenstrahlen aus einem EZR-Plasma mit Hilfe eines intensiven Elektronenstrahls untersucht. Die hochgeladenen Ionen werden durch einen Potentialtopf im Plasma gehalten und können nur durch Abschalten der Mikrowellenleistung extrahiert werden (Afterglow-Effekt). Durch die Injektion eines intensiven Elektronenstrahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma, soll lokal ein negativer Raumladungskanal erzeugt werden, durch den die hochgeladenen Ionen dem Potentialtopf entkommen können. Die Elektronen laufen dabei in entgegengesetzter Richtung zu den Ionen. Die Ionen erfahren eine anziehende Kraft durch den negativen Raumladungskanal der Elektronen in Richtung Achse und werden dadurch zusätzlich fokussiert. Der negative Raumladungskanal dient auch zur Führung der Ionen, welche durch eine Bohrung in der Kathode extrahiert werden. Durch den Einschuß des Elektronenstahls von der Extraktionsseite aus in das Plasma können weitere Verbesserungen der Quellenparameter erwartet werden. So z. B. die Erzeugung von Sekundärelektronen zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte, die Vorionisation von neutralen Gasteilchen zur Erhöhung des Ionisationsgrades des Plasmas und damit verbunden, die Verringerung von Ladungsaustauschprozessen zwischen neutralen Teilchen und hochgeladenen Ionen, schließlich die Erzeugung von Festkörperionen durch Verdampfen, insbesondere von Metallen mit hohem Siedepunkt (z. B. Wolfram) und die Verbesserung der Emittanz, da die Ionen durch den Elektronenstrahl näher der Achse geführt werden und dadurch die Ionen mit einem kleineren Strahlradius extrahiert werden. Für die Erzeugung des Elektronenstrahls wurde eine mit Barium imprägnierte Wolfram- Kathode benutzt. Diese besitzt eine Emissionsstromdichte von 1 A/cm2 bei einer Temperatur von 1100°C und einer Oberfläche von 3 cm2. Zur Fokussierung des Elektronenstrahls werden die magnetischen Felder der beiden EZR-Spulen genutzt. Die magnetischen Feldlinien werden durch passive Abschirmung so geformt, daß diese senkrecht durch die Oberfläche der Kathode stoßen. Die erzeugten Elektronen werden entlang dieser magnetischen Feldlinien geführt. Da die Elektronen in Richtung Plasma beschleunigt werden, laufen diese in ein ansteigendes Magnetfeld, welches für die Fokussierung und Kompression des Elektronenstrahls sorgt. Um die Leistung des Elektronenstrahls zu vernichten, wurde ein wassergekühlter Kollektor auf der Gaseinlaßseite in der Quelle installiert. Dieser übernimmt außerdem die disk-Funktion, zum Ausgleich von Elektronenverlusten aus dem Plasma und zur Erhöhung der Plasmadichte. Er besteht aus ferromagnetischen Material (Reineisen) und sorgt somit für eine Verbesserung des Jochschlusses der Magnetfeldspulen und für eine Verbesserung des Spiegelverhältnisses auf der Gaseinlaßseite von 2.9 auf 3.8. Beim ersten Testeinbau des neuen Extraktionssystems, bei dem der wassergekühlte Kollektor und damit die disk fehlte, wurde die Arbeitsfähigkeit der Elektronenkanone in der Umgebung der arbeiteten EZR-Ionenquelle demonstriert. Die Kathode wurde mit ihrer Orginalbohrung von 1 mm Durchmesser eingesetzt, wodurch die Ionenströme um bis zu einem Faktor 1000 im Vergleich zu den herkömmlich gemessenen Ionenströmen reduziert wurden. Durch das Fehlen der disk zeigen die aufgenommenen Ladungsspektren einen Intensitätsabfall zu hohen Ladungszuständen hin. Dennoch konnte gezeigt werden, daß mit Elektronenstrahl wesentlich höhere Ionenströme erreicht werden, als im Betrieb ohne Elektronenstrahl. Mit dem Einbau eines wassergekühlten Kollektors und der Vergrößerung der Kathodenbohrung auf 3 mm Durchmesser konnten die Ionenströme im Maximum bei Ar8+ auf 25 mA gesteigert werden, so daß nur noch ein Faktor 4 bis zu den besten Ergebnissen der Quelle fehlt. Da jedoch durch die 3 mm Kathodenbohrung die Emittanz des Ionenstrahls besser ist als mit dem herkömmlichen Extraktionssystem, wäre ein Vergleich der Brillanzen nötig, um genaue Aussagen über die Qualität des Elektronenstrahl- Extraktionssystems zu machen, jedoch fehlte hierzu eine Emittanz-Meßanlage. Die Ladungsverteilung zeigt auch wieder den gewöhnlich Verlauf mit dem Maximum bei Ar8+. Vergleicht man nun die Ladungsspektren mit unterschiedlichen Mikrowellenleistungen, so zeigt sich bei mittleren Mikrowellenleistungen (700 W) eine überproportionale Erhöhung des Ladungszustandes Ar12+, jedoch eine Reduzierung des Ladungszustandes Ar11+. Untersuchungen bei hohen Mikrowellenleistungen (1700 W), das bedeutet einer höheren Plasmadichte gegenüber den Messungen mit mittleren Mikrowellenleistungen, zeigen ebenfalls, daß der Änderungsfaktor des Ladungszustand Ar12+ größer ist, als der des Ladungszustand Ar11+. Die Ladungsspektren zeigen auch, daß der Elektronenstrahl bei niedrigeren Plasmadichten größere Auswirkung auf die hohen Ladungszustände hat, als bei hohen Plasmadichten. Dies zeigt, daß die Elektronenstrahldichten im Vergleich zur Plasmadichte viel zu gering sind, so daß z. B. der gewünschte Effekt der lokalen Potentialabsenkung nicht einsetzt und die Änderungen in der Ladungsverteilung im wesentlichen auf die Fokussierungseigenschaften des Elektronenstrahls zurückzuführen sind. Hierzu müssen weitere Untersuchungen mit höheren Elektronenstrahldichten vorgenommen werden. In diesem Zusammenhang sind auch Untersuchungen zur Größe des nutzbaren Ionenreservoirs im Plasma (z. B. durch Afterglow-Effekt) an der Frankfurter EZR-Ionenquelle notwendig.
A novel mechanism of H0 and strangelet production in hadronic interactions within the Gribov-Regge approach is presented. In contrast to traditional distillation approaches, here the production of multiple (strange) quark bags does not require large baryon densities or a QGP. The production cross section increases with center of mass energy. Rapidity and transverse momentum distributions of the H 0 are predicted for pp collisions at E_lab = 160 AGeV (SPS) and \sqrt s = 200 AGeV (RHIC). The predicted total H 0 multiplicities are of order of the Omega-baryon yield and can be accessed by the NA49 and the STAR experiments.
We apply a microcanonical statistical model to investigate hadron production in pp collisions. The parameters of the model are the energy E and the volume V of the system, which we determine via fitting the average multiplicity of charged pions, protons and antiprotons in pp collisions at different collision energies. We then make predictions of mean multiplicities and mean transverse momenta of all identified hadrons. Our predictions on nonstrange hadrons are in good agreement with the data, the mean transverse momenta of strange hadron as well. However, the mean multiplicities of strange hadrons are overpredicted. This agrees with canonical and grandcanonical studies, where a strange suppression factor is needed. We also investigate the influence of event-by-event fluctuations of the E parameter.
A micro-canonical treatment is used to study particle production in pp collisions. First this micro-canonical treatment is compared to some canonical ones. Then proton, antiproton and pion 4 pi multiplicities from proton-proton collisions at various center of mass energies are used to fix the micro-canonical parameters (E) and (V). The dependences of the micro-canonical parameters on the collision energy are parameterised for the further study of pp reactions with this micro-canonical treatment.
The production of multiple strange baryons in pp interactions is studied. Here one can directly probe the microscopic decay of color flux tubes, allowing to differentiate between different string models and a statistical description of the hadronization. To analyse the different stages of a heavy ion collision the time evolution of the elastic and inelastic collision rates in central Pb+Pb interactions are studied. The microscopic simulation supports the idea of separated phases (non-equilibrium -> chemical freeze-out -> kinetic freeze-out) in the evolution of the system. The spectra and abundances of Lambda(1520), K 0(892) and other resonances are used to study the break-up dynamics of the source between chemical and thermal freeze-out.
We show that an unambiguous way of determining the universal limiting fragmentation region is to consider the derivative (d 2 n / d eta 2) of the pseudo-rapidity distribution per participant pair. In addition, we find that the transition region between the fragmentation and the central plateau regions exhibits a second kind of universal behavior that is only apparent in d 2 n / d eta 2. The sqrt s dependence of the height of the central plateau (d n / d eta) eta=0 and the total charged particle multiplicity n total critically depend on the behavior of this universal transition curve. Analyzing available RHIC data, we show that (dn/d eta) eta=0 can be bounded by ln 2 s and n total can be bounded by ln 3 s. We also show that the deuteron-gold data from RHIC has the exactly same features as the gold-gold data indicating that these universal behaviors are a feature of the initial state parton-nucleus interactions and not a consequence of final state interactions. Predictions for LHC energy are also given.
Yields, rapidity and transverse momentum spectra of Delta++(1232), Lambda(1520), Sigma+-(1385) and the meson resonances K0(892), Phi, rho0 and f0(980) are predicted. Hadronic rescattering leads to a suppression of reconstructable resonances, especially at low p_perp. A mass shift of the rho of 10 MeV is obtained from the microscopic simulation, due to late stage rho formation in the cooling pion gas.
Recent calculations applying statistical mechanics indicate that in a setting with compactified large extra dimensions a black hole might evolve into a (quasi-)stable state with mass close to the new fundamental scale M f. Black holes and therefore their relics might be produced at the LHC in the case of extra-dimensional topologies. In this energy regime, Hawking's evaporation scenario is modified due to energy conservation and quantum effects. We reanalyse the evaporation of small black holes including the quantisation of the emitted radiation due to the finite surface of the black hole. It is found that observable stable black hole relics with masses sim 1-3 M f would form which could be identified by a delayed single jet with a corresponding hard momentum kick to the relic and by ionisation, e.g. in a TPC.
String theory suggests the existence of a minimum length scale. An exciting quantum mechanical implication of this feature is a modification of the uncertainty principle. In contrast to the conventional approach, this generalised uncertainty principle does not allow to resolve space time distances below the Planck length. In models with extra dimensions, which are also motivated by string theory, the Planck scale can be lowered to values accessible by ultra high energetic cosmic rays (UHECRs) and by future colliders, i.e. M f approximately equal to 1 TeV. It is demonstrated that in this novel scenario, short distance physics below 1/M f is completely cloaked by the uncertainty principle. Therefore, Planckian effects could be the final physics discovery at future colliders and in UHECRs. As an application, we predict the modifications to the e+ e- to f+ f- cross-sections.
Within the scenario of large extra dimensions, the Planck scale is lowered to values soon accessible. Among the predicted effects, the production of TeV mass black holes at the LHC is one of the most exciting possibilities. Though the final phases of the black hole’s evaporation are still unknown, the formation of a black hole remnant is a theoretically well motivated expectation. We analyze the observables emerging from a black hole evaporation with a remnant instead of a final decay. We show that the formation of a black hole remnant yields a signature which differs substantially from a final decay. We find the total transverse momentum of the black hole event to be significantly dominated by the presence of a remnant mass providing a strong experimental signature for black hole remnant formation.
We discuss modifications of the gyromagnetic moment of electrons and muons due to a minimal length scale combined with a modified fundamental scaleMf . First-order deviations from the theoretical standard model value for g-2 due to these String Theory-motivated e ects are derived. Constraints for the new fundamental scale Mf are given.
Probing the density dependence of the symmetry potential in intermediate energy heavy ion collisions
(2005)
Based on the ultrarelativistic quantum molecular dynamics (UrQMD) model, the effects of the density-dependent symmetry potential for baryons and of the Coulomb potential for produced mesons are investigated for neutron-rich heavy ion collisions at intermediate energies. The calculated results of the Delta-/Delta++ and pi -/pi + production ratios show a clear beam-energy dependence on the density-dependent symmetry potential, which is stronger for the pi -/pi + ratio close to the pion production threshold. The Coulomb potential of the mesons changes the transverse momentum distribution of the pi -/pi + ratio significantly, though it alters only slightly the pi- and pi+ total yields. The pi- yields, especially at midrapidity or at low transverse momenta and the p-/pi+ ratios at low transverse momenta, are shown to be sensitive probes of the density-dependent symmetry potential in dense nuclear matter. The effect of the density-dependent symmetry potential on the production of both, K0 and K+ mesons, is also investigated.
String theory suggests modifications of our spacetime such as extra dimensions and the existence of a mininal length scale. In models with addidional dimensions, the Planck scale can be lowered to values accessible by future colliders. Effective theories which extend beyond the standart-model by including extra dimensions and a minimal length allow computation of observables and can be used to make testable predictions. Expected effects that arise within these models are the production of gravitons and black holes. Furthermore, the Planck-length is a lower bound to the possible resolution of spacetime which might be reached soon.
In this study, we analyze the recently proposed charge transfer fluctuations within a finite pseudo-rapidity space. As the charge transfer fluctuation is a measure of the local charge correlation length, it is capable of detecting inhomogeneity in the hot and dense matter created by heavy ion collisions. We predict that going from peripheral to central collisions, the charge transfer fluctuations at midrapidity should decrease substantially while the charge transfer fluctuations at the edges of the observation window should decrease by a small amount. These are consequences of having a strongly inhomogeneous matter where the QGP component is concentrated around midrapidity. We also show how to constrain the values of the charge correlations lengths in both the hadronic phase and the QGP phase using the charge transfer fluctuations.
The regeneration of hadronic resonances is discussed for heavy ion collisions at SPS and SIS-300 energies. The time evolutions of Delta, rho and phi resonances are investigated. Special emphasize is put on resonance regeneration after chemical freeze-out. The emission time spectra of experimentally detectable resonances are explored.
The influence of the isospin-independent, isospin- and momentum-dependent equation of state (EoS), as well as the Coulomb interaction on the pion production in intermediate energy heavy ion collisions (HICs) is studied for both isospin-symmetric and neutron-rich systems. The Coulomb interaction plays an important role in the reaction dynamics, and strongly influences the rapidity and transverse momentum distributions of charged pions. It even leads to the pi- pi+ ratio deviating slightly from unity for isospin-symmetric systems. The Coulomb interaction between mesons and baryons is also crucial for reproducing the proper pion flow since it changes the behavior of the directed and the elliptic flow components of pions visibly. The EoS can be better investigated in neutron-rich system if multiple probes are measured simultaneously. For example, the rapidity and the transverse momentum distributions of the charged pions, the pi- pi+ ratio, the various pion flow components, as well as the difference of pi+-pi- flows. A new sensitive observable is proposed to probe the symmetry potential energy at high densities, namely the transverse momentum distribution of the elliptic flow difference [Delta v_2^pi+ - pi-(p_t rm c.m.].
We compare multiplicities as well as rapidity and transverse momentum distributions of protons, pions and kaons calculated within presently available transport approaches for heavy ion collisions around 1 AGeV. For this purpose, three reactions have been selected: Au+Au at 1 and 1.48 AGeV and Ni+Ni at 1.93 AGeV.
It is investigated whether canonical suppression associated with the exact conservation of an U(1)-charge can be reproduced correctly by current transport models. Therefore a pion-gas having a volume-limited cross section for kaon production and annihilation is simulated within two different transport prescriptions for realizing the inelastic collisions. It is found that both models can indeed dynamically account for the canonical suppression in the yields of rare strange particles.
Longitudinal hadron spectra from proton-proton (pp) and nucleus-nucleus (AA) collisions from E_lab= 2 AGeV to sqrt s=200 AGeV are investigated. The widths of the rapidity spectra for various particle species increases monotonously with energy. The present calculation indicates no sign of a step like behaviour as excepted from the Kaon transverse mass systematics. For Pions, the transport simulation is consistent with a Landau type scaling of the rapidity widths, both in central AA reactions and in pp collisions. However, other hadron species do not follow the Landau scaling. The present model predicts a decreasing rapidity width with particle mass for newly produced particles, not supporting a Landau type flow interpretation.
Transverse hadron spectra from proton-proton, proton-nucleus and nucleus-nucleus collisions from 2 AGeV to 21.3 ATeV are investigated within two independent transport approaches (HSD and UrQMD). For central Au+Au (Pb+Pb) collisions at energies above E lab ~ 5 AGeV, the measured K +- transverse mass spectra have a larger inverse slope parameter than expected from the default calculations. The additional pressure - as suggested by lattice QCD calculations at finite quark chemical potential mu q and temperature T - might be generated by strong interactions in the early pre-hadronic/partonic phase of central Au+Au (Pb+Pb) collisions. This is supported by a non-monotonic energy dependence of v2/pT in the present transport model.
Within the ADD-model, we elaborate an idea by Vacavant and Hinchliffe and show quantitatively how to determine the fundamental scale of TeV-gravity and the number of compactified extra dimensions from data at LHC. We demonstrate that the ADD-model leads to strong correlations between the missing E_T in gravitons at different center of mass energies. This correlation puts strong constraints on this model for extra dimensions, if probed at sqr s=5.5 TeV and sqrt s=14 TeV at LHC.
The cumulant method is applied to study elliptic flow (v_2) in Au+Au collisions at sqrt s=200 AGeV, with the UrQMD model. In this approach, the true event plane is known and both the non-flow effects and event-by-event spatial (epsilon) and v_2 fluctuations exist. Qualitatively, the hierarchy of v_2 's from two, four and six-particle cumulants is consistent with the STAR data, however, the magnitude of v_2 in the UrQMD model is only 60% of the data. We find that the four and six-particle cumulants are good measures of the real elliptic flow over a wide range of centralities except for the most central and very peripheral events. There the cumulant method is affected by the v_2 fluctuations. In mid-central collisions, the four and six-particle cumulants are shown to give a good estimation of the true differential v_2, especially at large transverse momentum, where the two-particle cumulant method is heavily affected by the non-flow effects.
We predict transverse and longitudinal momentum spectra and yields of rho 0 and omega mesons reconstructed from hadron correlations in C+C reactions at 2~AGeV. The rapidity and pT distributions for reconstructable rho 0 mesons differs strongly from the primary distribution, while the omega's distributions are only weakly modified. We discuss the temporal and spatial distributions of the particles emitted in the hadron channel. Finally, we report on the mass shift of the rho 0 due to its coupling to the N*(1520), which is observable in both the di-lepton and pi pi channel. Our calculations can be tested with the Hades experiment at GSI, Darmstadt.
Trapping black hole remnants
(2005)
Large extra dimensions lower the Planck scale to values soon accessible. The production of TeV mass black holes at the LHC is one of the most exciting predictions. However, the final phases of the black hole's evaporation are still unknown and there are strong indications that a black hole remnant can be left. Since a certain fraction of such objects would be electrically charged, we argue that they can be trapped. In this paper, we examine the occurrence of such charged black hole remnants. These trapped remnants are of high interest, as they could be used to closely investigate the evaporation characteristics. Due to the absence of background from the collision region and the controlled initial state, the signal would be very clear. This would allow to extract information about the late stages of the evaporation process with high precision.
The recently proposed baryon-strangeness correlation (C_BS) is studied with a string-hadronic transport model (UrQMD) for various energies from E_lab=4 AGeV to \sqrt s=200 AGeV. It is shown that rescattering among secondaries can not mimic the predicted correlation pattern expected for a Quark-Gluon-Plasma. However, we find a strong increase of the C_BS correlation function with decreasing collision energy both for pp and Au+Au/Pb+Pb reactions. For Au+Au reactions at the top RHIC energy (\sqrt s=200 AGeV), the C_BS correlation is constant for all centralities and compatible with the pp result. With increasing width of the rapidity window, C_BS follows roughly the shape of the baryon rapidity distribution. We suggest to study the energy and centrality dependence of C_BS which allow to gain information on the onset of the deconfinement transition in temperature and volume.
We analyze longitudinal pion spectra from E_lab= 2AGeV to sqrt s_NN=200GeV within Landau's hydrodynamical model. From the measured data on the widths of the pion rapidity spectra, we extract the sound velocity c_s in the early stage of the reactions. It is found that the sound velocity has a local minimum (indicating a softest point in the equation of state, EoS) at E_beam=30AGeV. This softening of the EoS is compatible with the assumption of the formation of a mixed phase at the onset of deconfinement.
Die folgenden Seiten enthalten die Folien des Vortrags "Higher-Order-Mode Koppler als Beam Position Monitor" gehalten im IAP-Winterseminar in Riezlern am 26.2.1998 von Claudius Peschke. Die Seiten sind imGIF-Format Version 89a mit 72 dpi gespeichert. Folie Nummer 16 zeigt einige Momentaufnahmen aus einer MAFIA Zeitbereichsberechnung eines Bunch-Durchflugs durch die SBLC Kopplerzelle. Die Ergebnisse sind zusätzlich auch als kompletter Film mit allen Zeitschritten verfügbar. Der Film ist als animated GIF-Format in zwei verschiedenen Auflösungen gespeichert.
Mikrowellen-Linearbeschleuniger arbeiten im allgemeinen mit einer geringen Stoßfrequenz. Um dennoch eine gute Luminosität zu erreichen, ist es erforderlich, eine große Teilchenzahl pro Bunch und einen sehr kleinen Strahlquerschnitt am Kollisionspunkt zu erreichen. Vor dem Hauptbeschleuniger sorgen entsprechende Quellen und die Dämpfungsringe für eine geringe Emittanz. Im Idealfall werden die Teilchenpakete vom Hauptbeschleuniger ausschließlich longitudinal beschleunigt. Bedingt durch höhere Moden kann es hier jedoch zum BBU (siehe Abschnitt 1.2) mit einer Verschlechterung der Strahlqualität oder gar Strahlverlust kommen. Dieser Effekt wird umso stärker, je größer die Teilchenzahl pro Bunch ist. Um den Einsatzpunkt für den BBU quantitativ zu bestimmen, ist es erforderlich, die Shuntimpedanzen der Störmoden zu kennen [1, 2]. Ziel dieser Arbeit war es, die Shuntimpedanzen aller Moden der ersten drei Pass-Bänder zu bestimmen. Hierzu wurde ein weitgehend automatisierter Störkörper-Meßstand mit zugehöriger Schrittmotorsteuerung und Steuerprogramm aufgebaut, der es ermöglicht, eine große Zahl von Meßpunkten aufzunehmen und so die statistischen Fehler klein zu halten. Die Messungen der Monopol-Moden wurde nicht-resonant in Transmission durchgeführt. Die Messungen der Dipol-Moden erfolgten mit der nicht-resonanten zwei-Störkörper-Methode in Transmission. Diese Methode macht Störkörpermessungen auch an Moden möglich, die ein überwiegend transversales elektrisches Feld haben. Aus den Meßdaten wurden die Gütefaktoren und Shuntimpedanzen ohne Phasenfaktor sowie nach Rekonstruktion der Phasensprünge die Shuntimpedanzen mit Phasenfaktor und die Transittime-Faktoren berechnet. Hierzu wurde ein Satz von Auswertungs-Programmen geschrieben. Parallel zu den Messungen wurden alle gesuchten Größen auch numerisch mit dem Programm MAFIA berechnet. Bei den Monopol-Moden zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und numerischer Rechnung bei den Gütefaktoren und den longitudinalen Shuntimpedanzen ohne Phasenfaktor. Die Bestimmung der longitudinalen Shuntimpedanzen mit Phasenfaktor durch Rekonstruktion der Phasensprünge funktioniert bei großen Transittime- Faktoren gut. Bei sehr kleinen Transittime-Faktoren ist mit diesem Verfahren nur noch die Aussage möglich, daß die longitudinalen Shuntimpedanzen mit Phasenfaktor bzw. der Transittime-Faktor klein sind. Die genauen Werte hängen stark von kleinen Fehlern sowohl bei der Messung als auch in der Geometrie der Cavity ab. Moden mit sehr kleinem Transittime-Faktor beeinflussen den Strahl jedoch nicht wesentlich, so daß diese qualitative Angabe ausreichend ist. Von den Moden des TM01-Pass-Bandes hat nur die Beschleuniger-Mode einen großen Transittime-Faktor. Alle anderen Moden haben einen erheblich kleineren Transittime-Faktor. Bei den Dipol-Moden des zweiten und dritten Pass-Bandes zeigte sich eine Aufspaltung in zwei azimutale Polarisationsrichtungen, was auf einen kleinen Geometriefehler der Cavity schließen läßt. Die Polarisationsrichtung dreht sich vom einen zum anderen Ende der Cavity um etwa 10°. Da es sich um eine kleine Abweichung handelt, wurden die weiteren Messungen nur für eine der beiden Polarisationsrichtungen durchgeführt. Im TE/TM-Dipol-Pass-Band gibt es mehrere Moden, die wegen ihrer recht hohen transversalen Shuntimpedanz mit Phasenfaktor als Störmoden in Frage kommen. Die numerisch berechneten Werte stimmen bei diesen Moden relativ gut mit den gemessenen Werten überein. Wie schon bei den Monopol-Moden weichen die Werte für die Moden mit geringem Transittime-Faktor voneinander ab. Am TE-artigen Ende des Pass-Bandes werden die gemessenen Werte aufgrund der begrenzten Selektivität ungenau. Es ist allerdings zu bedenken, daß die gleichen kleinen Geometriefehler, die eine Polarisation bewirkt haben, auch für die Abweichungen bei den kleinen Transittime-Faktoren verantwortlich sein können. Im TM/TE-Dipol-Pass-Band ist die transversale Shuntimpedanz ohne Phasenfaktor bei allen Moden größer als im TE/TM-Pass-Band. Auch hier haben mehrere der Moden eine hohe transversale Shuntimpedanz mit Phasenfaktor. Die numerischen Berechnungen stimmen für dieses Pass-Band besser mit den Messungen überein als im TE/TM-Pass- Band. Mit den gemessenen Werten ist es möglich, den Einsatzpunkt für den BBU unter Berücksichtigung aller Moden der ersten drei Pass-Bänder zu bestimmem. Für den späteren Einsatz im Beschleuniger ist geplant, die Cavities mit zwei HOM-Dämpfern an den Enden auszustatten. Mit den gemessenen Werten kann berechnet werden, wie groß die Wirkung der Dämpfer sein muß, um bei dem vorgesehenen Strahl einen BBU-freien Betrieb zu ermöglichen. Bei der Vermessung der weiteren Pass-Bänder gibt es noch mehrere Probleme zu lösen. Zum einen überlappen bei den höheren Moden die Bänder einander. Dies erschwert die Identifikation der Moden bei der Messung. Zum anderen gelangt man schnell zu Frequenzen, die oberhalb der jeweiligen Cut-Off-Frequenz für den entsprechender Wellentyp im Strahlrohr liegen. Moden oberhalb Cut-Off können über mehrere Cavities miteinander koppeln und dabei neue Moden über viele Cavities ausbilden. Um die Gefährlichkeit dieser Moden für die Strahlqualität zu untersuchen, ist es erforderlich, die Übertragungscharakteristik (S-Parameter) der gesamten Cavity mit Strahlrohren zu bestimmen. An solchen Messungen wird bereits gearbeitet. Ein anderer Punkt, der näher zu untersuchen wäre, ist der Einfluß kleiner mechanischer Veränderungen auf die transversalen Shuntimpedanzen der Störmoden. Die TESLACavity ist mechanisch relativ instabil. Solche Veränderungen können daher schon durch die elekromagnetischen Kräfte der gepulsten Beschleuniger-Mode auftreten.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Protonen an im Raum ausgerichteten D2-Molekülen gestreut. Ziel war es nach möglichen Interferenzstrukturen in der Streuwinkelverteilung der Projektile zu suchen. Solche Interferenzstrukturen sind durch die Theorie vorhergesagt. Sie sind in Analogie zur Beugung am Doppelspalt ein Ergebnis der kohärenten Streuung des Projektils an den beiden Kernen des D2-Moleküls. Für den Reaktionskanal des Elektroneneinfangs mit gleichzeitiger Dissoziation des Moleküls mit einer Energie zwischen 4 und 7eV zeigen die experimentellen Daten tatsächlich ein Minimum an etwa der vorhergesagten Stelle. Dieses Minimum variiert mit der Orientierung der Molekülachse allerdings nicht ganz, wie aufgrund der Analogie zum Doppelspalt zu erwarten ist. Für den gleichzeitig im Experiment beobachteten Kanal der Transferionisation, der zu einer Fragmentenergie von etwa 9eV führt, wurden im Experiment keine Modulation der Streuverteilung beobachtet. Der beobachtete Reaktionskanal der Dissoziation wirft weitere Fragen auf, die über das einfache Doppelspalt-Bild hinausgehen. So kann das dissoziierende D2-Ion sowohl in einem geraden als auch in einem ungeraden Zustand seiner elektronischen Wellenfunktion zurückbleiben. Diese Symmetrie der elektronischen Wellenfunktion beeinflusst ebenfalls die Phase der gestreuten Welle. Eine zuverlässige Vorhersage des zu erwartenden Kontrastes des Interferenzmusters hängt von der relativen Stärke der Anregung in den geraden und ungeraden Zustand ab. Dieser Effekt ist bisher nicht in den theoretischen Modellen berücksichtigt. Diese Frage kann aber auch durch weitere Experimente geklärt werden. Im Rahmen einer anderen Diplomarbeit [Wim04] wurde ein sehr ähnliches Experiment vermessen: Ein einfach geladenes Wasserstoffmolekülion wird beschleunigt, stößt mit einem nahezu ruhenden Atom und fängt dabei ein Elektron ein. Durch den Elektroneneinfang geht das Molekül u. a. in einen 1ssu-Zustand über, der zur Dissoziation führt. Genau wie in diesem Experiment auch, kann dadurch die Molekülachse festgehalten werden. Betrachtet man in der Auswertung die Bewegung beider Teilchen in inverser Kinematik, d.h. lässt man das neutrale Atom auf das Molekül zufliegen, so zeigen sich in der Impulsverteilung des Rückstoßions (Atomions) Minima und Maxima, deren Position sich mit der Drehung des Moleküls ändert. Dies bestätigt eigentlich die Existenz von Interferenzen. Nur wird hier, wie bereits gesagt, die inverse Kinematik betrachtet, zudem vermisst man eigentlich den umgekehrten Übergang vom 1ssg-Zustand des Molekülions in den 1ssu-Zustand des Moleküls. Um theoretische Berechnungen jedoch direkt zu bestätigen, ist es durchaus erstrebenswert, die Kinematik wie hier in dem hier vorgestellten Experiment zu vermessen. Aus diesem Grund werden in nächster Zeit noch weitere Messungen vorgenommen, in denen mit gleichem Aufbau, jedoch mit einer niedrigeren Projektilenergie (10 keV - 25 keV), die gleiche Reaktion untersucht wird. Mit der niedrigeren Energie des Projektils soll eine sehr viel bessere Streuwinkelauflösung erreicht werden, so dass sie die Beobachtung möglicher Interferenzen definitiv nicht mehr begrenzt. Dadurch können zum einen die Ergebnisse dieser Arbeit auf ihre Richtigkeit überprüft werden. Wenn tatsächlich Interferenzstrukturen zu beobachten sind, zeigen zum anderen eventuelle Veränderungen, ob eine Analogie zum Doppelspalt gerechtfertigt ist.
Determination of field strength and quality factor of heavily HOM damped accelerator cavities
(1992)
Two methods of of measuring field strength in accelerator cavities, heavily damped with respect to higher order modes (HOM), are presented. From the results of the field measurements the coupling (damping) factor and thus the quality factor of the damped resonator can be derived. Measurements of a pillbox resonator with heavily damped TM110-mode (Q < 20) demonstrate the usefulness of the techniques presented, even in this extreme range.
Die vorliegende Arbeit befallt sich im theoretischen Teil mit den Grundlagen zu Strahl-Resonator-Wechselwirkungen bei Beschleunigerresonatoren und mit den sich daraus ergebenden Konsequenzen bei der Resonatorentwicklung für zukünftige lineare Kollider mit Multibunch-Betrieb. Zur Bekämpfung der vor allem im Multibunchbetrieb störenden Long-Range-Wakefelder müssen die schädlichen Moden möglichst so stark bedämpft werden, daß ihre Felder bis zum Eintreffen des nächsten Bunches auf ein erträgliches Maß abgeklungen sind. Im experimentellen Teil befaßt sich diese Arbeit daher mit der Entwicklung von Meßmethoden zur Bestimmung sehr kleiner Resonatorgüten sowie sehr kleiner transversaler Shuntimpedanzen bzw. sehr kleiner Feldpegel in stark störmodenbedämpften Beschleunigerresonatoren. Diese Meßmethoden sind an mehreren S-Band-Modellresonatoren (Betriebsfrequenz lag bei etwa 2.4 GHz) mit verschiedenen Dämpfungssystemen, die für den Einbau in einen normalleitenden Linearbeschleuniger für einen Kollider geeignet wären, erfolgreich getestet worden. Die Feldmessungen an den Modellresonatoren haben bisher unbekannte Gesetzmäßigkeiten bezüglich des Verhaltens dieser Dämpfungssysteme ergeben. In einer kurzen Beschreibung und Diskussion der sechs wichtigsten Vorschläge für zukünftige lineare Kollider wurde ein Überblick über die Unterschiede bei diesen verschiedenen Konzepten gegeben. Zunächst konnten über eine qualitative Diskussion der beim Linearbeschleuniger vom Iristyp vorkommenden Beam Blowup Phänomene, wie der regenerative BBU und der cumulative BBU, die Erscheinungsformen und die physikalischen Ursachen dieser BBU Phänomene verstanden werden. Hier zeigt sich, daß bei Irisstrukturen die HEM11-Moden die Hauptursache sowohl für den regenerativen- als auch für den cumulativen BBU sind. Der dritte Abschnitt führte in eine allgemeine Methode zur quantitativen Beschreibung der sogenannten Strahl-Resonator-Wechselwirkung ein. Diese Methode heißt Condon- Methode und erlaubt die Berechnung von BBU verursachenden Wakefeldern über eine Eigenwellenentwicklung aus den Eigenmoden des leeren Rersonators. Im vierten Abschnitt wurde durch die Herleitung des Theorems von Panofsky-Wenzel die Theorie der Strahl-Resonator-Wechselwirkung vervollständigt, wonach der einer Testladung während der Durchquerung eines felderfüllten Resonators mitgeteilte Transversalimpuls vollständig durch die räumliche Verteilung der elektrischen Longitudinalkomponente allein bestimmt ist. Damit erhält man also eine Aussage über die Wirkung der in Beschleunigerresonatoren feldanfachenden vorauslaufenden Ladungen auf die nachfolgenden. Dabei konnte auch die Frage geklärt werden, welche Moden zylindrischer Symmetrie wegen ihrer transversal ablenkenden Wirkung für den Teilchenstrahl gefährlich sind. Hier zeigt sich, daß alle BBU verursachenden Moden TM2np- bzw. TM2np-Moden sind, d.h., die Moden mit dipol- bzw. quadrupolartiger Symmetrie. Die Anwendung der in den Abschnitten drei und vier entwickelten Theorie zur Strahl-Resonator-Wechselwirkung konnte im Abschnitt fünf anhand dreier, für die Beschleunigerphysik sehr interessanter Beispiele gezeigt werden. Im ersten Beispiel gelang die Beschreibung der Wechselwirkung eines in Längsrichtung homogenen Strahls, welcher transversal Betatranschwingungen vollführt, mit der TM110-Mode eines Zylinderresonators. Dieses Beispiel ist von praktischer Bedeutung bei Linearbeschleunigern. die bei hohem Duty Cycle betrieben werden, also z.B. beim RACE TRACK Mikrotron oder bei supraleitenden Linacs. Beim zweiten Beispiel hat die Anwendung der Theorie auf eine Irisstruktur zu Formeln geführt, die sich Fair eine numerische Berechnung des Startstroms zum regenerativen BBU eignen, was jedoch relativ aufwendig ist. Es konnte aber auch eine einfache Abschätzungsformel für den Startstrom durch die Anwendung des Poyntingschen Satzes auf eine differentielle Länge des der Irisstruktur entsprechenden Wellenleiters abgeleitet werden. Aus der Bedingung, daß die durch den Strahl erzeugte Leistung pro Längeneinheit gleich den Leistungsverlusten pro Längeneinheit ist, findet man den Startstrom für den regenerativen BBU. Das letzte Beispiel, die Wechs 1 e Wirkung einer hochrelativistischen Punktladung mit einem beliebigen Resonator, ist auch das wichtigste. Hier wurden die Wakefelder aus einer simplen Energiebilanzbetrachtung abgeleitet, da eine Berechnung nach der Condon-Methode relativ aufwendig und langwierig wäre. Diese Vorgehensweise hat hier zu einem tieferen physikalischen Verständnis der Vorgänge im Resonator geführt. Die mit Hilfe einer Punktladung abgeleiteten Wakefelder sind Greensfunktionen. die zur quantitativen Beschreibung des cumulativen BBU’s bei linearen Kollidern benutzt werden können. Die Diskussion der anhand der Beispiele gewonnenen Ergebnisse am Ende des fiinften Abschnitts führte zu verschiedenen Maßnahmen zur Verringerung der schädlichen Strahl-Resonator-Wechselwirkung. Hier hat sich gezeigt, daß sowohl der regenerative BBU als auch der cumulative BBU u. a. durch eine Verringerung der Resonatorgüte der strahlstörenden Dipolmode verhindert werden können. Im sechsten Abschnitt erfolgte die noch ausstehende quantitative Beschreibung des cumulativen BBU mit Hilfe der im vorangehenden Abschnitt am dritten Beispiel gewonnenen Formeln für die Wakefelder. Die Berechnung der Strahlablage und Strahlrichtung geschieht hier über einen Matrizenformalismus, der aus der Idee heraus entstand, die Beschleunigersektionen des linearen Kolliders durch Resonatoren verschwindender Länge zu ersetzen. Uber den Matrizenformalismus konnte die durch den Einfluß von Beschleunigung, Fokussierung und Wakefeldern doch recht komplizierte Teilchenbewegung sehr elegant formuliert werden, jedoch eignet sich dieser Formalismus nur für numerische Zwecke. Abschätzungen sind in diesem allgemeinen Fall unmöglich. Durch die Einführung eines sehr restriktiven Modells, des sogenannten DAISY-CHAIN Modells, welches nur bei sehr stark bedämpften Beschleunigersektionen gültig ist. hat sich der Matrizenformalismus auf sehr einfache, der analytischen Berechnung zugängliche Gleichungen reduzieren lassen. Die Bedämpfung der Beschleunigersektionen muß dabei so stark sein, daß eine Ladung innerhalb einer ganzen Kette äquidistanter Ladungen nur ein signifikantes Wakefeld der unmittelbar vorrauslaufenden Ladung erfährt. Wie stark im Einzelfall bedämpft werden muß, um einen stabilen Transport einer Kette von Teilchenpaketen zu ermöglichen, konnte anhand zweier, in der Betriebsfrequenz unterschiedlicher Konzepte für normalleitende Linearbeschleuniger zukünftiger Kollider gezeigt werden. Dabei wurde deutlich, daß man bei ausschließlicher Anwendung von in Bezug auf die HEM11-pi-Mode stark bedämpften Beschleunigerstrukturen zur Kontrolle des cumulativen BBU bei einer hohen Betriebsfrequenz, z.B. im X-Band (11.45 GHz), sehr unbequem niedrige Gütewerte von ca. Q=5 erreichen muß. Das ist, wie sich im praktischen Teil der vorliegenden Arbeit gezeigt hat, vom technischen Aufwand her gesehen sehr schwierig. Für einen X-Band-Kollider wird man also eine Kombination von Maßnahmen zur Kontrolle des cumulativen BBU’s bevorzugen, z.B. neben dem Bedämpfen auch das sogenannte “Detunen” der Beschleunigersektionen. Bei einem Linearbeschleuniger im S-Band (Betriebsfrequenz bei 3 GHz) befindet man sich von vornherein bei ausschließlicher Verwendung gedämpfter Strukturen in bequemeren Gütebereichen Q ungefähr gleich 20-50, was ohne weiteres praktikabel ist. Aber auch hier kann man durch Zusatzmaßnahmen die Anforderungen an die Resonatordämpfung weiter reduzieren. Als erste Methode zur Bestimmung der Güte eines störmodenbedämpften Beschleunigerresonators wurde die Chipman-Methode angewendet. Meßobjekt war hier das dreizellige Modell einer Irisstruktur mit Halbzellenabschluß. Zur Auskopplung der dominanten Störmode, der sogenannten HEM11-Mode, war die mittlere Irisblende einseitig geschlitzt. Bei diesem Modell lag die Frequenz der als Beschleunigermode vorgesehenen TM010-2pi/3-Mode etwa bei 2.35 GHz und die Frequenz der dominanten Störmode, der HEM11-pi-Mode, lag bei etwa 2.81 GHz. Die mittlere geschlitzte Irisblende war austauschbar, so daß eine Messung der durch das Dämpfungssystem belasteten Güte QL bzw. des Koppelfaktors K in Abhängigkeit von der Schlitzhöhe möglich war. Die Messungen ließen sich bei diesem Koppelsystem ohne Schwierigkeiten durchrühren, bei der größten möglichen Schlitzhöhe von 10 mm wurde auch der größte Koppelfaktor mit 46 gemessen. Bei einer vom Dämpfungssystem unbelasteten Güte von Q0=4500 korrespondiert ein Koppelfaktor von K=46 mit einer durch das Dämpfungssystem belasteten Güte von QL = 100. Ein Mangel wurde bei der Anwendung der Chipman-Methode sofort sichtbar: Durch die Anregung der HEM11-pi-Mode von der Meßleitung aus sind im Koppelsystem offenbar Störmoden angeregt worden. Liegen diese Störmoden nahe bei der zu messenden Resonanz, dann ist eine präzise Bestimmung des Koppelfaktors unmöglich. Glücklicherweise war das hier nicht der Fall. Die Messungen mit der einseitig geschlitzten Irisblende haben gezeigt, daß dieses Dämpfungssystem Anwendung finden könnte bei Beschleunigerstrukturen im S-Band. wie sie z.B beim DESY/THD-Kollider vorgeschlagen wurden. Natürlich kann bei den hier erreichten Koppelfaktoren nicht die Dämpfung der schädlichen HEM11-pi- Mode die alleinige Maßnahme sein, die einseitig geschlitzte Irisblende könnte nur zusammen mit dem Detunen angewendet werden. Da die einseitig geschlitzte Irisblende auch eine Feldasymmetrie bei der Beschleunigermode erzeugt, müssen die Dämpfer entlang einer Beschleunigersektion alternierend angebracht werden, d.h. jeder Dämpfer ist im Bezug zum nächsten Nachbardämpfer um 90° gedreht. Die 90° ergeben sich aus der Notwendigkeit, auch die Dämpfung der zweit en Polarisationsebene der HEM11-pi-Mode zu gewährleisten. Als zweite, der Chipman-Methode sehr ähnliche Methode, wurde die Kurzschlußschiebermethode angewendet. Erstes Untersuchungsobjekt war die bei der Chipman- Methode bereits erwähnte dreizeilige Irisstruktur. Ein Vorteil im Vergleich zur Chipman-Methode ist vor allem die schnelle Durchführbarkeit der Messung bei wenig experimentellem Aufwand, wenn auch die Kurzschlußschiebermethode weniger präzise ist, und man auf einige Informationen, wie z.B. der Verlauf des Reflexionsfaktors und dessen Phase, verzichten muß. Im Vergleich mit der Chipman-Methode waren die mit der Kurzschlußschiebermethode gemessenen Koppelfaktoren immer um etwa 10-15% höher. Das liegt vor allem daran, daß die Theorie zur Kurzschlußschiebermethode von einem verlustfreien Resonator-Hohlleitersystem ausgeht, so daß die nach dieser Theorie ermitteten Koppelfaktoren prinzipiell zu groß sind. Auch bei dieser Methode hat sich gezeigt, daß eine Auswertung der Meßergebnisse scheitern muß, falls ein Modenüberlapp auftritt. Bei Experimenten mit komplizierteren Dämpfungssystemen, bestehend aus mehr als vier Hohlleitern an Resonatoren mit mehr als zwei Zellen ist deutlich geworden, daß eine Bestimmung des Koppelfaktors über die Kurzschlußschiebermethode durch die entstehende Modenvielfalt praktisch unmöglich ist. Es stellte sich heraus, daß bei der Auswertung der Meßergebnisse dadurch ein Fehler entsteht, wenigstens bei sehr starker Dämpfung, daß man die Feldverteilung als konstant animmt, denn bei dem Vergleich der unbelasteten Güte Q0 mit der vom Dämpfungssystem belasteten Güte QL geht man davon aus, daß die Feldverteilungen im ungedämpften- und gedämpften Fall identisch sind. Das kann bei Koppelfaktoren im Bereich von einigen zehn bis zu einigen hundert nicht mehr zutreffen, da das Feld der Mode immer stärker in das Dämpfungssystem eindringt, je stärker die Kopplung ist. Das ändert die Modengeometrie natürlich in dramatischer Weise und die belastete Güte QL kann dann nicht mehr einfach über die Gleichung QL=Q0/(1+ K) aus den gemessenen Größen Q, und K ausgerechnet werden, da der Koppelfaktor K nun nicht mehr konstant sein kann, sondern im Gegenteil sich sehr stark ändert, je nachdem an welcher Stelle die Felder gemessen werden. Ein weiterer Mangel bei beiden Methoden ist, daß über diese Methoden weder die longitudinale noch die transversale Shuntimpedanz bestimmt werden kann. Ein Ausweg aus diesem Dilemma war die Anwendung zweier neuer Meßmethoden, die Antennenmethode und die nichtresonante Störkörpermethode. Diese beiden Methoden beruhen im Gegensatz zu den ersten beiden Methoden auf einer direkten Bestimmung der Feldpegel bzw. der transversalen Shuntimpedanz im bedämpften Resonator was den Vorteil hat, daß im Resonator genau das Feld bzw. die Shuntimpedanz vermessen wird, welches die Teilchen bei der Durchquerung des Resonators auch tatsächlich sehen. Die Antennenmethode war eine komplette Neuentwicklung, während es sich bei der nichtresonante Störkörpermethode um die Anwendung einer seit 1966 bekannten, jedoch in Vergessenheit geratenen Theorie handelte. Beide Meßmethoden konnten am Beispiel eines im Bezug auf die TM110-Mode (Frequenz bei ca. 3.2 GHz) sehr stark bedämpften Zylinderresonators (Die Frequenz der TM010-Mode lag bei ca. 2.049 GHz) erfolgreich getestet werden. Die durch das Dämpfungssystem belastete Güte QL war hier ca. 10. Bei der Bestimmung der longitudinalen elektrischen Feldstärken bzw. der longitudinalen Shuntimpedanz der TM110-Mode in Abhängigkeit vom axialen Abstand vor und nach der Bedämpfung konnten zunächst folgende Feststellungen gemacht werden: 1) Die Modengeometrie im ungedämpften- und gedämpften Fall unterscheiden sich sehr stark voneinander. Dadurch mißt man verschiedene Koppelfaktoren, je nachdem an welcher Stelle man die Felder mißt. 2) der maximal gemessene Koppelfaktor liefert über die Gleichung QL=Q0/(1+K) die richtige beklastete Güte QL. 3) Der höchste Koppelfaktor wurde bei der Feldmessung in einem Achsortabstand vom halben Radius des Zylinderresonators gemessen. Da die beiden Meßmethoden das Verhältnis der elektrischen Feldstärkequadrate in Abhängigkeit vom Meßort vor und nach der Bedämpfung liefern, konnte die zweite Feststellung nur durch eine Kontrollmessung mit Hilfe der Kurzschlußschiebermethode, die hier dank des einfachen Aufbaus leicht durchfiihrbar war, gemacht werden. Die Kurzschlußschiebermessung lieferte eine Güte QL ungefähr gleich 9, während der höchste bzw. der niedrigste mit den beiden neuen Megmethoden ermittelte Koppelfaktor mit einer Güte von QL ungefähr gleich 11 bzw. mit einer Güte von QL ungefähr gleich 14 korrespondierte, d.h. also. daß der höchste gemessene Koppelfaktor für dieses Dämpfungssystem die richtige Resonatorgüte liefert. Anhand eines zweizeiligen Resonators (Die Frequenz der TM010-2pi/3-Beschleunigermode lag bei ca. 2.35 GHz) mit beidseitig geschlitzter Irisblende als Dämpfungssystem für die HEM11-pi-Mode (ca. 3.5 GHz) konnte gezeigt werden, daß die zweite Feststellung eine Gesetzmäßigkeit bei spiegelsymmetrischen Dämpfungssystemen ist. Im Unterschied zum Zylinderresonator wurde der höchste mit der richtigen bedämpften Güte QL ungefähr gleich 37 korrespondierend Koppelfaktor K ungefähr gleich 153 jedoch direkt auf der Resonatorachse gemessen. Die bedämpfte Güte wurde auch hier wieder mit Hilfe der Kurzschlußschiebermethode kontrolliert. Ein sehr interessantes Verhalten zeigte der gleiche zweizeilige Resonator mit einseitig geschlitzter Irisblende als Dämpfungssystem. Hier korrespondierte der in der Nähe der Resonatorwand gemessene niedrigste Koppelfaktor mit der bedämpften Güte QL ungefähr gleich 230 des Resonators. In Achsennähe hingegen war der Koppelfaktor etwa dreimal höher, K ungefähr gleich 82, als aus der der Güteerniedrigung K ungefähr gleich 35 nach der Dämpfung hervorgegangen wäre, die transversale Shuntimpedanz ist also auch etwa um den Faktor 3 erniedrigt. Durch dieses Verhalten ist der einseitig bedämpfte Resonator für die Verwendung bei einem linearen Kollider im S-Band (hier muß nicht so stark bedämpft werden) interessant geworden, denn wenn nur wenige Zellen einer Beschleunigersektion mit einem Dämpfungssystem ausgerüstet werden müssen, ist es wichtig in diesen Zellen ein effektives Dämpfungssystem bei Gewährleistung eines einwandfreien Transports der Feldenergie der HEM11-pi-Mode in diese gedämpften zu haben. Das funktioniert einerseits nur, wenn sich die Resonanzfrequenz der gedämpften Zellen in Bezug auf die HEM11-pi-Mode auf die Resonanzfrequenz der benachbarten ungedämpften Zellen einstellen läßt und andererseits die mit einer Dämpfung einhergehende schlechtere Anregungsfähigkeit dieser Störmode in den gedämpften Zellen nicht zu schlecht ist. Bei einer zu starken Dämpfung wäre beides nicht möglich. Zusammenfassend kann man sagen, daß durch die Antennen- und die nichtresonante Störkörpermethode ein für die Entwicklung von störmodenbedämpften Beschleunigerresonatoren für zukünftige lineare Kollider und natürlich auch anderer Elektronenbeschleuniger sehr wirksames Instrument zur Verfügung steht. Ein detailliertes Design eines für einen bestimmten Beschleuniger passenden Dämpfungssystems ist mit Hilfe dieser Meßmethoden möglich geworden, da kleine Unterschiede zwischen verschiedenen Ausführungen von Dämpfungssystemen meßbar sind. Durch die bei der Anwendung der Meßmethoden auf unterschiedliche bedämpfte Resonatoren gefundenen Gesetzmäßigkeiten ist unter anderem auch die Frage geklärt worden, auf welche Weise ein Dämpfungssystem auch auf numerischem Wege mit Hilfe von Computerprogrammen wie z.B. MAFIA berechnet werden kann.
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 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.