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Relativistic heavy ion collisions constitute a prolific source of hyperons: tens of hyperons per event are predicted at energies E≥10 GeV/nucleon, providing a scenario for the formation of metastable exotic multihypernuclear objects. They may exhibit exceptional properties: bound neutral (e.g., 4M2Λ2n, 10M2Λ8n, pure Λ droplets, 8Λ) and even negatively charged composites objects with positive baryon number (e.g., 4M2Σ-2n, 6M2Λ2Ξ-2n) could be formed in rare events. Such negative nuclei can easily be identified in a magnetic spectrometer. They could be considerably more abundant than antinuclei of the same A. We use the relativistic meson-baryon field theory—which gives an excellent description of normal nuclear and single-Λ hypernuclear properties—to calculate the rich spectrum of such exotic objects, their stability, and their structure. We also find solutions for a large variety of bound short-lived nuclei (e.g., 8M2Λ,2Σ-2p2n), which may decay strongly via formation of cascade (Ξ) particles. Multi-Ξ hypernuclei are also evaluated. A variety of potential candidates for such metastable exotic nuclei is presented. It turns out that the properties of such exotic multihypernuclear objects reveal quite similar features as the strangelet proposed as a unique signature for quark-gluon plasma formation in heavy ion collisions.
Experimental results are presented on the charge, velocity, and angular distributions of intermediate mass fragments (IMFs) for the reaction Fe+Au at bombarding energies of 50 and 100 MeV/nucleon. Results are compared to the quantum molecular dynamics (QMD) model and a modified QMD which includes a Pauli potential and follows the subsequent statistical decay of excited reaction products. The more complete model gives a good representation of the data and suggests that the major source of IMFs at large angles is due to multifragmentation of the target residue.
Stopping power and thermalization in relativistic heavy ion collisions is investigated employing the quantum molecular dynamics approach. For heavy systems stopping of the incoming nuclei is predicted, independent of the energy. The influence of the quantum effects and their increasing importance at low energies, is demonstrated by inspection of the mean free path of the nucleons and the n-n collision number. Classical models, which neglect these effects, overestimate the stopping and the thermalization as well as the collective flow and squeeze out. The sensitivity of the transverse and longitudinal momentum transfer to the in-medium cross section and to the pressure is investigated.
We investigate the production of heavy quarks in continuum and bound states in nuclear collisions. Creation rates for free bb and tt quark pairs and for bottomonium and toponium in the ground state are computed at energies of the BNL Relativistic Heavy Ion Collider, CERN Large Hadron Collider (LHC), and Superconducting Super Collider. Central and peripheral heavy-ion collisions are discussed. For top-quark creation we assumed a mass range of 90≤mt≤250 GeV. The creation rate for top quarks in peripheral collisions is estimated to be by a factor 40 to 130 smaller compared with corresponding central collisions. For mt=130 GeV we calculated a creation rate of about 4760 top-quark pairs per day at the LHC (3.5 TeV/nucleon) for Pb-Pb collisions.
We discuss the multiplicity distribution of electron-positron pairs created in the strong electromagnetic fields of ultrarelativistic heavy-ion transits. Based on nonperturbative expressions for the N-pair creation amplitudes, the Poisson distribution is derived by neglecting interference terms. The source of unitarity violation is identified in the vacuum-to-vacuum amplitude, and a perturbative expression for the mean number of pairs is given.
The properties of nuclear matter are studied in the framework of quantum hadrodynamics. Assuming an ω-meson field, periodic in space, a self-consistent set of equations is derived in the mean-field approximation for the description of nucleons interacting via σ-meson and ω-meson fields. Solutions of these self-consistent equations have been found: The baryon density is constant in space, however, the baryon current density is periodic. This high density phase of nuclear matter can be produced by anisotropic external pressure, occurring, e.g., in relativistic heavy ion reactions. The self-consistent fields developing beyond the instability limit have a special screw symmetry. In the presence of such an ω field, the energy spectrum of the relativistic nucleons exhibits allowed and forbidden bands, similar to the energy spectrum of the electrons in solids.
QCD-Summenregeln mit Massen
(1993)
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.
To reach high luminosities in future linear colliders short range wakes havea to be controlled in the range of X-band frequencies or higher. Rectangular irises can be used to introduce strong focusing quadrupole-like rf-fields. Even circular irises in iris-loaded accelarator structures have the capability of focusing if the particle velocity differs from phase velocity. Theoretical investigations concerning the focusing strength to be expected are presented. Their applicability for linear colliders is discussed.
Triple differential cross sections d3 sigma /dp3 for charged pions produced in symmetric heavy-ion collisions were measured with the KaoS magnetic spectrometer at the heavy-ion synchrotron facility SIS at GSI. The correlations between the momentum vectors of charged pions and the reaction plane in 197Au+197Au collisions at an incident energy of 1 GeV/nucleon were determined. We observe, for the first time, an azimuthally anisotropic distribution of pions, with enhanced emission perpendicular to the reaction plane. The anisotropy is most pronounced for pions of high transverse momentum in semicentral collisions.
Using relativistic Green’s-function techniques we examined single-electron excitations from the occupied Dirac sea in the presence of strong external fields. The energies of these excited states are determined taking into account the electron-electron interaction. We also evaluate relativistic transition strengths incorporating retardation, which represents a direct measure of correlation effects. The shifts in excitation energies are computed to be lower than 0.5%, while the correlated transition strengths never deviate by more than 10% from their bare values. A major conclusion is that we found no evidence for collectivity in the electron-positron field around heavy and superheavy nuclei.
We study dilepton production from a quark-gluon plasma of given energy density at finite quark chemical potential μ and find that the dilepton production rate is a strongly decreasing function of μ. Therefore, the signal to background ratio of dileptons from a plasma created in a heavy-ion collision may decrease significantly.
Viscous hydrodynamic calculations of high energy heavy-ion collisions (Nb-Nb and Au-Au) from 200 to 800 MeV/nucleon are presented. The resulting baryon rapidity distributions, the in-plane transverse momentum transfer (bounce-off), and the azimuthal dependence of the midrapidity particles (off-plane squeeze out) compare well with Plastic Ball data. We find that the considered observables are sensitive both to the nuclear equation of state and to the nuclear shear viscosity η. Transverse momentum distributions indicate a high shear viscosity (η≊60 MeV/fm2 c) in the compression zone, in agreement with nuclear matter estimates. The bulk viscosity ζ influences only the entropy production during the expansion stage; collective observables like flow and dN/dY do not depend strongly on ζ. The recently observed off-plane (φ=90°) squeeze-out, which is found in the triple-differential rapidity distribution, exhibits the strongest sensitivity to the nuclear equation of state. It is demonstrated that for very central collisions, b=1 fm, the squeeze-out is visible even in the double-differential cross section. This is experimentally accessible by studying azimuthally symmetric events, as confirmed recently by data of the European 4π detector collaboration at Gesellchaft für Schwerionforschung Darmstadt.
Strange hadronic matter
(1993)
In an extended mean field theory, we find a large class of bound multistrange objects, formed from combinations of {p,n,Λ,Ξ0,Ξ-} baryons, which are stable against strong decay. We predict a maximal binding energy per baryon of EB/A≊-21 MeV, strangeness per baryon fs≊1.2, charge per baryon fq≊-0.1 to 0, and baryon density 2.5–3 times that of ordinary nuclei. For A≥6, we obtain stable combinations involving only {Λ,Ξ0,Ξ-} hyperons.
We present a RQMD calculation of antiproton yields and their momentum distribution in Ne + NaF collisions at 2 GeV/u. The antiprotons can be produced below threshold due to multi-step excitations for which meson-baryon interactions play a considerable role. In this system the annihilation probability for an initially produced antiproton is predicted to be about 65%.