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Bei der Kollision ultra-relativistischer Schwerionen wird die Kernmaterie extrem verdichtet und erhitzt. Die dabei erzeugte Energiedichte könnte ausreichen, um für kurze Zeit in einem begrenzten Volumen ein Quark-Gluon-Plasma entstehen zu lassen. Dieser Zustand der Materie, bei dem die Quarks und Gluonen nicht mehr in Hadronen gebunden sind, lag möglicherweise innerhalb der ersten Millisekunde nach dem Urknall vor und wird im Inneren von schweren Neutronensternen erwartet. Das NA49-Experiment am SPS-Beschleuniger des CERN untersucht hauptsächlich die Produktion von Hadronen in ultra-relativistischen Blei-Blei-Kollisionen. Eine erhöhte Produktion seltsamer Teilchen ist eine der vorgeschlagenen Signaturen für das Auftreten eines Quark-Gluon-Plasmas. Neutrale seltsame Teilchen werden aus den Spuren ihrer geladenen Zerfallsprodukte, die diese in den großvolumigen Spurendriftkammern (TPC) des NA49-Experiments hinterlassen, rekonstruiert. Bei der Auslese der TPCs entstehen Datenmengen von ca. 8 TByte (8 x 10 exp 12 Byte) pro Strahlzeit. Diese riesigen Datenmengen und die aufwendige Spurrekonstruktion stellen hohe Anforderungen an die Software-Infrastruktur. Daher wurde zur Vereinfachung und Modularisierung der Software-Entwicklung eine Software-Entwicklungs- und Analyseumgebung konzipiert und implementiert. Sie basiert auf dem Client-Server-Prinzip und kann über ein heterogenes TCP/IPNetzwerk aus UNIX-Workstations verteilt werden. Der zentrale Bestandteil des Systems ist der Daten-Server, der Datenobjekte mit persistenten Relationen verwaltet und die Kommunikation mit den Clients zur Steuerung des Systems übernimmt. Programmierschnittstellen (API) für verschiedene Sprachen (C, FORTRAN, C++, Fortran90) erlauben eine einfache Entwicklung von Clients, beispielsweise für die Datenanalyse und -visualisierung. Für die Rekonstruktion neutraler seltsamer Teilchen wurden 93497 zentrale Blei-Blei-Ereignisse aus der Strahlzeit im Herbst 1995 analysiert. Aus den Rohdaten der zweiten Vertex-TPC (VTPC2), die zur Bestimmung der Impulse in einem Magnetfeld positioniert ist, wurden zunächst die Ladungs-Cluster und dann die Teilchenbahnen rekonstruiert. Mit diesen Spuren wurden anschließend die Zerfalls-Vertices von neutralen seltsamen Teilchen gesucht. Dabei wurde neben den tatsächlichen Vertices auch ein Untergrund von zufälligen Kombinationen gefunden. Das Verhältnis von Signal zu kombinatorischem Untergrund wurde durch die Anwendung von Qualitätskriterien optimiert. Die Phasenraumakzeptanz liegt für die drei untersuchten Teilchen Lambda, Antilambda und K 0 s in den Rapiditäts-Intervallen 2,9 < y lambda < 3,9, 3,0 < y antilambda < 3,8 und 3,25 <= yK < 4,05. Der verwendete Transversalimpuls-Bereich ist abhängig von der Teilchenspezies und dem betrachteten Rapiditätsintervall und liegt zwischen 0,6 GeV/c und 2,4 GeV/c. Die inversen Steigungsparameter der Transversalimpuls-Spektren sind rapiditätsabhängig. Im Rapiditätsintervall, das jeweils am nächsten an Midrapidity liegt, betragen sie T lambda = 281 +- 13 MeV, T antilambda = 308 +- 28 MeV und T K 0 s = 239 +- 9 MeV. Die beobachtete lineare Abhängigkeit der inversen Steigungsparameter von der Ruhemasse und die Überschreitung der Hagedornschen Grenztemperatur für ein ideales Hadronengas sind ein Indiz für die Existenz eines kollektiven transversalen Flusses. Im Rahmen eines hydrodynamischen Modells ergibt sich eine mittlere transversale Flußgeschwindigkeit <vT> ~ 0,65 c und eine Freeze-out-Temperatur T fo ~ 110 MeV. Während die Rapiditäts-Verteilungen für Antilamda und K 0 s bei Midrapidity ein deutliches Maximum aufweisen, zeigt die Rapiditäts-Verteilung der Lambda einen flachen Verlauf. Die Multiplizitäten im Rapiditätsintervall bei oder nahe Midrapidity betragen 19,2 +- 1,1 für Lambda, 3,2 +- 0,3 für Antilambda und 27,1 +- 1,8 für K 0 s . Aufgrund der in der Analyse verwendeten Qualitätskriterien kann angenommen werden, daß die Spektren von Lambda und Antilambda in erster Näherung frei von Lambda und Antilambda aus den Zerfällen mehrfach-seltsamer Baryonen sind. Aus dem Vergleich mit den Rapiditäts-Spektren, die von anderen NA49-Gruppen mit unterschiedlichen Analyseansätzen ermittelt wurden, konnte der systematische Fehler der Analyse auf etwa 20-30% abgeschätzt werden. Beim Vergleich der Rapiditäts-Spektren von verschiedenen Stoßsystemen bei der gleichen Energie besitzen die Lambda-Verteilungen für Schwefel-Schwefel- (S+S) und Blei-Blei-Stöße (Pb+Pb) die gleiche flache Form. Hingegen weist die p+p-Verteilung zwei deutliche Maxima auf. Die Rapiditäts-Verteilungen von K 0 s und Antilambda zeigen für alle drei Stoß-Systeme annähernd die gleiche Form. Während bei den Lambda- und K 0 s -Verteilungen die Teilchenausbeute beim Übergang von S+S zu Pb+Pb etwa mit der Anzahl der Partizipanten skaliert, ist der Anstieg bei den Antilambda nur halb so groß. Im Vergleich zu p+p nimmt die Produktion aller drei Spezies um etwa das Zweifache der Partizipanten-Anzahl zu. Die Lambda-Multiplizität bei Midrapidity wird durch Rechnungen des UrQMD-Modells sehr gut reproduziert. Allerdings scheint die Form des Lambda-Rapiditäts-Spektrums flacher als die des Modells zu sein. Bei den Antilambda - und K 0 s -Spektren wird die Form der Verteilung besser durch das Modell beschrieben, jedoch reproduziert es nicht die Gesamtmultiplizität. Während die K 0 s-Daten um 30% unter der UrQMD-Verteilung liegen, wird für die Antilambda nur ungefähr die Hälfte der tatsächlich gemessenen Multiplizität vorhergesagt. Eine Abschätzung für die Anzahl von s- und s-Quarks, die bei einem zentralen Blei-Blei-Stoß erzeugt werden, zeigt eine Übereinstimmung innerhalb der systematischen Fehler dieser Abschätzung und ist damit konsistent mit der erwarteten Erhaltung der Seltsamkeits-Quantenzahl. Das Antilambda/Lambda-Verhältnis bei Midrapidity beträgt 0,17 +- 0,02. Der Vergleich der Verhältnisse von seltsamen zu nicht-seltsamen Teilchen zeigt keinen signifikanten Unterschied zwischen Proton-Proton- und Proton-Kern-Stößen; beim Übergang zu S+S kommt es zu einer Erhöhung der Seltsamkeits-Produktion um etwa einen Faktor 2. In Blei-Blei-Kollisionen kommt es jedoch zu keiner weiteren Erhöhung. Mit steigender Anzahl der Partizipanten, die proportional zur Größe des Reaktionsvolumens ist, kommt es zu einer Sättigung der Strangeness-Produktion. Die Energieabhängigkeit der Strangeness-Produktion zeigt für Nukleon-Nukleon-Stöße (N+N) ein anderes Verhalten als für Kern-Kern-Kollisionen (A+A). Während sie für N+N-Stöße zwischen AGS- und SPS-Energien um einen Faktor 2 zunimmt, kommt es bei A+A-Kollsionen zu einer Sättigung auf dem AGS-Niveau. Dieser Unterschied kann durch eine Reduktion der Masse der Seltsamkeitsträger bei den A+A-Stößen erklärt werden, wie sie in einem Quark-Gluon-Plasma erwartet wird. Dies läßt vermuten, daß der Phasenübergang von einem Quark-Gluon-Plasma zu einem Hadronengas im Energiebereich zwischen AGS und SPS stattfindet.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Abhängigkeit der HBT-Radien im Rahmen des NA49-Experimentes bei einer Strahlenergie von 40 und 158 AGeV untersucht. Es zeigte sich, dass die Radien Rside, Rout und Rlong monoton mit der Zentralität von 2-3 fm bis 5-6 fm anwachsen, jedoch nur eine sehr geringe Energieabhängigkeit aufweisen. Dabei ist die Energieabhängigkeit bei Rside am schwächsten und bei Rlong am stärksten ausgeprägt. Bei Rout zeigte sich, dass die Werte bei 40 AGeV steiler mit der Zentralität ansteigen als die entsprechenden Werte bei 158 AGeV, was zur Folge hat, dass für zentrale Ereignisse Rout bei 40 AGeV um etwa 0.5 fm größer ist, als bei 158 AGeV. Die Signifikanz dieses Befundes ist wegen der statistischen (maximal 0.3 fm) und systematischen Fehler (maximal 1 fm) jedoch sehr gering. Allerdings wurde auch bei der Analyse zentraler Blei-Blei-Kollisionen[28] beobachtet, dass die Werte für Rout bei 40 AGeV größer sind als bei 158 AGeV. Die Radien beider Energien lassen sich als eine lineare Funktion der dritten Wurzel der Anzahl der Partizipanten beschreiben. Letztere sind ein Maß für die transversale Größe des Ausgangszustandes. Aus diesem Verhalten folgt, dass die HBT-Radien aus dem Ausgangszustand der Kollision bestimmt werden. Betrachtet man jedoch die geringe Energieabhängigkeit der HBT-Radien, so liegt der Schluss nahe, dass die HBT-Radien eher durch den Anfangszustand der Kollision bestimmt werden als durch den Endzustand. Dies steht im Widerspruch zu der üblichen Interpretation der Bose-Einstein-Korrelation in Schwerionenkollisionen. Beim Betrachten des Verhältnisses Rout/Rside als Funktion der Zentralität stellte sich heraus, dass es größer als eins ist und nur sehr schwach von der Zentralität abhängt. Der Wert von Rout/Rside nimmt dabei Werte zwischen 1.2 und 1.5 an. Ermittelt man aus Rout und Rside die Emissionsdauer, so stellt man fest, dass diese Größe bei beiden Energien nicht signifikant von der Zentralität abhängt und die Werte zwischen 2 und 4 fm/c liegen.
This paper reports calculations of the influence of a reaction time T>10-21 s in deep-inelastic Xe-Pb collisions on the energy spectrum of δ electrons ejected in the same collision. It is shown that the lifetime of the superheavy composite system causes pronounced oscillations of width ε=h/T in the electron distribution, which survive the inclusion of multistep excitations and the folding with a lifetime distribution function. This effect may serve as an atomic clock for deep-inelastic collisions.
Mit der Bereitstellung des 208Pb-Strahls durch das CERN-SPS können seit Herbst 1994 Kollisionen schwerster Kerne bei den höchsten zur Zeit in Schwerionenbeschleunigern erreichten Einschußenergien untersucht werden.
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der raumzeitlichen Entwicklung von zentralen Pb-Pb-Kollisionen bei 158 GeV/Nukleon. Diese Untersuchung wurde im Rahmen des Experimentes NA49 durchgefüuhrt und stützt sich auf die Analyse von Bose-Einstein-Korrelationen identischer Pionen. Die Auswertung von rund 40000 zentralen Ereignissen, die in zwei verschiedenen Magnetfeldkonfigurationen mit der zweiten Vertex-Spurendriftkammer des NA49-Experimentes aufgezeichnet wurden, erlaubt hierbei eine annähernd vollständige Untersuchung des pionischen Phasenraumes zwischen zentraler Rapidität und der Projektilhemisphäre.
Auf der experimentellen Seite stellt der Nachweis von mehreren hundert geladenen Teilchen pro Ereignis eine große Herausforderung dar. Daher werden in dieser Arbeit die Optimierung von Spurendriftkammern sowie die verwendeten Analyseverfahren und die erreichte experimentelle Auflösung ausführlich diskutiert. Dabei zeigt sich, daß der systematische Einfluß der erreichten Impuls- und Zweispurauflösung auf die Bestimmung der Bose-Einstein-Observablen vernachlässigbar ist.
Die Messung von Korrelationen ungleich geladener Teilchen bestätigt die Beobachtungen früherer Untersuchungen, wonach die Gamowfunktion als Coulombkorrektur der Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen in Schwerionenexperimenten nicht geeignet ist. Ein Vergleich mit einem Modell zeigt, daß diese Messungen konsistent sind mit der Annahme einer endlichen Ausdehnung der Pionenquelle von rund 6 fm. In dieser Arbeitwird zur Korrektur daher eine Parametrisierung der gemessenen Korrelationsstärke ungleich geladener Teilchen benutzt, wodurch die systematischen Unsicherheiten bei der Auswertung der Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen erheblich reduziert werden konnten.
Die Auswertung der Bose-Einstein-Korrelationen im Rahmen des Yano-Koonin-Podgoretskii-Formalismus erlaubt eine differentielle Bestimmung der longitudinalen Expansionsgeschwindigkeit. Dabei ergibt sich das Bild eines vornehmlich in longitudinaler Richtung expandierenden Systems, wie es bereits in Schwefel-Kern-Reaktionen bei vergleichbaren Einschußenergien beobachtet wurde. Die Transversalimpulsabhängigkeit der transversalen Radiusparameter ist moderat und verträglich mit einer mäßigen radialen Expansion, deren quantitative Bestätigung allerdings im Rahmen von Modellrechnungen erfolgen muß.
Im Rahmen eines einfachen hydrodynamischen Modells kann die Lebensdauer des Systems zu 7-9 fm/c bei schwacher Abhängigkeit von der Rapidität bestimmt werden. Die Zeitdauer der Pionenemission beträgt etwa 3-4 fm/c und wird damit erstmals in ultrarelativistischen Schwerionenreaktionen als signifikant von Null verschieden beobachtet.
Die Auswertung der Korrelationsfunktion unter Verwendung der Bertsch-Pratt-Parametrisierung liefert Ergebnisse, die mit denen der Yano-Koonin-Podgoretskii-Parametrisierung konsistent sind. Dasselbe gilt für den Vergleich der Analyse positiv und negativ geladener Teilchenpaare sowie unter Verwendung verschiedener Bezugssysteme.
Ein Vergleich mit den Ergebnissen von Schwefel-Kern-Reaktionen deutet an, daß die in Pb-Pb ermittelten Ausfriervolumina nicht mit dem einfachen Bild eines Ausfrierens bei konstanter Teilchendichte vereinbar sind. Vielmehr scheint das Pb-Pb-System bei niedrigerer Dichte auszufrieren. Dies läßt darauf schließen, daß die Ausfrierdichte über die mittlere freie Weglänge mit der Größe des Systems zum Zeitpunkt der letzten Wechselwirkung verknüpft ist.
This Letter discusses inner-shell excitation in collisions of very heavy ions (Z1+Z2≳140) in the framework of the quasimolecular model. The importance of multistep excitations and of coupling between continuum states is demonstrated. The 1sσ vacancy probabilities resulting from coupled-channels calculations exceed perturbation theory by a factor 3-5, thus giving good agreement with recent experimental results.
Binding energies and wave functions of inner-shell electronic states in superheavy quasimolecules with (Zp+Zt)α>1 are calculated. Ionization during a collision of very heavy ions is investigated within a molecular basis generated by the solutions of the two-center Dirac equation. Transitions to vacant bound states as well as direct excitation to the continuum are taken into account. We present theoretical values for the ionization probability as a function of impact parameter, bombarding energy, and combined nuclear charge. Our computed results are compared with recent experimental data. It is suggested that relativistic binding energies of electrons in superheavy quasimolecules can be determined experimentally via the impact-parameter dependence of ionization and the anisotropy of quasimolecular radiation.
Within an extended semiquantal theory we perform large-sized coupled-channel calculations involving 260 collective levels for Coulomb fission of 238U. Differential Coulomb fission cross sections are studied as a function of bombarding energy and impact parameter for several projectiles. In the Xe + U case, total cross sections are also given. We find a strong dependence on projectile charge number, PCF(180°)∼(Zp)6 in the region 50≤Zp≤92 for a fixed ratio E/ECoul, which might be helpful to separate Coulomb fission experimentally from sequential fission following transfer reactions. Since the cross sections are sensitive to the moment of inertia ⊖ at the saddle point, Coulomb fission can serve as a tool to investigate the dependence of ⊖ on elongation. The fragment angular distribution exhibits deviations from 1/sinθf which are pronounced at low incident energies. Our theory indicates that the recently measured Xe + U fission cross sections contain a major fraction of Coulomb-induced fission at E≤0.85 ECoul. NUCLEAR REACTIONS, FISSION Calculated Coulomb fission cross sections σ(Ep,θp) for 54Xe, 67Ho, 82Pb, 92U→92238U, fragment angular distribution, fission energy spectrum, mean spin value 〈Jf〉.
The theory of nucleon transfer in heavy ion reactions is formulated on the basis of the molecular particlecore model for a system consisting of two cores and one extracore nucleon. The extracore nucleon is described by the molecular wave functions of the asymmetric two-center shell model. The cores, which are assumed to be collectively excitable, are treated with vibrator-rotator models. Potentials for shape polarization are contained in the asymmetric two-center shell model and the interaction between the cores. The excitation and transfer of the extracore nucleon is induced by the radial and rotational couplings. The coupled channel equations, which include the recoil effects in first approximation, are derived in a form suitable for numerical calculations of cross sections. NUCLEAR REACTIONS Heavy ion scattering, theory of nucleon transfer, molecular wave functions, two-center shell model, collective and single-particle excitation.
Inner-shell ionization induced by nuclear Coulomb excitation in collisions of very heavy ions
(1978)
K- and L-shell ionization of 238U with Xe and U projectiles is investigated. Internal conversion following nuclear Coulomb excitation which is particularly important for deformed heavy nuclei is compared with direct ionization of inner-shell electrons in superheavy quasimolecules. Both processes exhibit different impact-parameter dependences. As a result of internal conversion, about 0.1-0.3 K holes per central collision are created.
On the basis of the two-center shell model a theory is developed for the excitation of loosely bound nucleons in heavy ion collisions. These nucleons move in the two-center shell model potential generated by all the nucleons and are described by molecular wave functions. The model is applied to calculate the cross sections for the elastic and inelastic 13C-13C scattering. The cross sections show intermediate structures caused by the excitation of quasibound resonances in the molecular nucleus-nucleus potential. NUCLEAR REACTIONS 13C(13C,13C) molecular wave functions, dynamical two-center shell model, quasimolecular resonances, radial and Coriolis coupling, coupled channel calculations for σ(θ).
Quasimolecular resonance structures in the 12C-12C system are studied in the framework of the coupled channel formalism in the energy range Ec.m.=5-14 MeV. The influence of the coupling of the first excited 2+ state in 12C on the resonance structures is investigated by choosing various types of coupling potentials. The intermediate structures in the reflection and transition coefficients and cross sections can be interpreted with the double resonance mechanism. NUCLEAR REACTIONS 12C(12C, 12C), quasimolecular states, coupling potentials, coupled channel calculations for σ(θ).
The theory of direct electron-positron pair production in the collision of heavy ions is formulated in the framework of the quasimolecular model. The pair production process acquires a collective nature for (Z1+Z2)α>1 and can be understood as the shakeoff of the strong vacuum polarization cloud formed in the quasimolecule. The total cross section is, e.g., 76 μb for Pb + Pb at Coulomb barrier energies.
Internal conversion of γ rays from Coulomb-excited nuclear levels cannot be neglected compared with the spontaneous and induced positron production in overcritical electric fields. It is shown that both processes are separable by their different distributions with respect to the ion angle and the positron energy.
We show that information about quasimolecular electronic binding energies in transient atomic systems of Z=Z1+Z2 up to 184 can be obtained from three sources: (1) the impact-parameter dependence of the ionization probability; (2) the ionization probability in head-on collisions as a function of total nuclear charge Z; (3) the delta-electron spectrum in coincidence with K-vacancy formation in asymmetric collisions. Experiments are proposed and discussed.
Determination of the effective 12C + 12C potential from the sub-Coulomb single-particle resonances
(1974)
The sub-Coulomb resonances observed in the total reaction yield of the 12C + 12C system at 4.9, 5.6, and 6.2 MeV are explained as single-particle resonances. The "true" effective 12C + 12C potential is determined directly as the real potential which reproduces best the position and the spacing of the observed sub-Coulomb resonances. This potential is found from a parametrization of the two limiting adiabatic and sudden potentials.
the development of the mass asymmetry vibrations in the final stages of the fission process is studied with an approximate treatment of the coupling to relative motion. A parametrized friction is introduced and its effects are studied. Numerical results are presented for 236U, together with estimates for the kinetic energy of the fragments. RADIOACTIVITY, FISSION 236U; calculated mass distribution, kinetic energy distribution. Collective dynamics, shell correction method, cranking model.
It is shown that nuclear matter is compressed during the encounter of heavy ions. If the relative velocity of the nuclei is larger than the velocity of first sound in nuclear matter (compression sound for isospin T=0), nuclear shock waves occur. They lead to densities which are 3-5 times higher than the nuclear equilibrium density ρ0, depending on the energy of the nuclei. The implications of this phenomenon are discussed.