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This thesis is devoted to the study of Micro Structured Electrode (MSE) sustained discharges. Innovative approaches in this work are i) the implementation of MSE arrays for high-pressure plasma generation and ii) the use of diode laser atomic absorption spectroscopy for investigating sub-millimetric discharges. By means of MSE arrays the discharge gap is scaled down to the sub-millimetric range and accordingly the working pressure could be increased up to atmospheric. It should be underlined that besides the ease of use, since expensive vacuum equipment is not required, high-pressure discharges offer also a high density of active species. A MSE consists of holes, regularly distributed in a composite sheet made of two metal layers separated by an insulator. The electrodes and insulator thickness and the diameter of the holes are in the 100 micrometer range. Based on these microstructures stable non-filamentary DC discharges are generated in noble gases and gas mixtures at pressures up to 1000 mbar. The MSE sustained discharge can be considered as a normal glow discharge whereby the excitation and ionization efficiency is increased by the specific electrode configuration (hollow cathode geometry). Large area high-pressure plasma can be achieved by parallel operation of a large number of microdischarges. Parallel operation of up to 200 microdischarges without individual ballast was proven for pressures up to 300 mbar. Furthermore, arrays of resistively decoupled microdischarges were operated up to atmospheric pressure. Spectral investigations have revealed the presence of highly energetic electrons (20 eV), a large density of atoms in metastable states (1013 cm-3) and a high electron density (1015 cm-3). Although the plasma confined inside the hole of the MSE may reach gas temperatures up to 1000 K, the ambient gas temperature immediately above the microstructure exceeds only slightly the room temperature. The reactivity of the MSE sustained discharge was demonstrated in respect to waste gas decomposition and surface treatment. The MSE arrays are providing a non-equilibrium high-pressure plasma, which is very promising for surface processing, plasma chemistry and generation of UV radiation.
Mit der vorliegenden Arbeit ist der eindeutige experimentelle Nachweis für die Existenz eines 1997 [Ced97] vorhergesagten, neuartigen Zerfallskanals für Van-der-Waals-gebundene Systeme erbracht worden. Die Untersuchungen wurden an einem Neondimer durchgeführt. Erzeugt man in einem Atom dieses Dimers durch Synchrotronstrahlung eine 2s-Vakanz, so wird diese durch ein 2p-Elektron aufgefüllt. Die hierbei freiwerdende Energie wird an das zweite Atom des Dimers in Form eines virtuellen Photons übertragen und löst dort ein Elektron aus einer äußeren Schale. Untersucht wurde dieser Zerfall namens „Interatomic Coulombic Decay” (ICD) durch Koinzidenzimpulsspektroskopie (COLTRIMS) [Doe00, Ull03, Jah04b]. Der Nachweis der Existenz des Effekts erfolgte dadurch, dass die Summe der Energien der Photofragmente - und im Speziellen des ICD-Elektrons und der beiden im Zerfall entstehenden Ne+-Ionen - eine Konstante ist. Durch die koinzidente Messung der Impulse, der im Zerfall entstehenden Teilchen, konnte hierdurch ICD eindeutig identifiziert werden. Die Übereinstimmung der gemessenen Energiespektren mit aktuellen theoretischen Vorhersagen [Sche04b, Jah04c] ist exzellent. Dadurch, dass das Dimer nach dem IC-Zerfall in einer Coulomb-Explosion fragmentiert, konnten des Weiteren Untersuchungen, wie sie in den letzten Jahren an einfachen Molekülen durchgeführt wurden [Web01, Lan02, Jah02, Web03b, Osi03b, Jah04a], auch am Neondimer erfolgen: Durch die Messung der Ausbreitungsrichtung der ionischen Fragmente des Dimers nach der Coulomb-Explosion wird die räumliche Ausrichtung des Dimers zum Zeitpunkt der Photoionisation bestimmt. Die gemessenen Impulse der emittierten Elektronen können dadurch im Bezug zur Dimerachse dargestellt werden. In dieser Arbeit wurden somit Messungen der Winkelverteilung der 2s-Photoelektronen und des ICD-Elektrons im laborfesten und auch dimerfesten Bezugssystem vorgestellt und mit vorhandenen theoretischen Vorhersagen verglichen. Die Winkelverteilung des Photoelektrons ähnelt stark der Verteilung, die man nach der Photoionisation eines einzelnen Neonatoms erhält und hat somit fast reinen Dipolcharakter. Die Präsenz des zweiten Atoms des Dimers verursacht nur leichte Modulationen, so dass auch die Änderung der Ausrichtung der Dimerachse im Bezug zur Polarisationsrichtung des linear polarisierten Lichtes nur geringe Auswirkungen hat. Durch die koinzidente Messung aller vier nach der Photoionisation entstehenden Teilchen konnte außerdem ein weiterer Doppelionisationsmechanismus des Dimers nachgewiesen werden: Ähnlich wie in einzelnen Atomen [Sam90] gibt es auch in Clustern den TS1-Prozess. Hierbei wird ein 2p-Elektron aus dem einen Atom des Dimers herausgelöst. Es streut dann an einem 2p-Elektron des anderen Atoms, das hierdurch ionisiert wird. Diese etwas andere Form des TS1 im Cluster ist also genau wie ICD ein interatomarer Vorgang. Die Summe der Energien der beiden, in diesem Prozess entstehenden Elektronen hat einen festen Wert von h... − 2 · IP(2p) − KER = 12 eV, so dass dieser Prozess hierdurch im Experiment gefunden werden konnte. Die gemessenen Zwischenwinkel zwischen den beiden Elektronen zeigen des Weiteren genau die für zwei sich abstoßende Teilchen typische Verteilung einer Gauss-Kurve mit einem Maximum bei 180 Grad. Da im Falle von interatomarem TS1 die Potentialkurve der Coulomb-Explosion direkt aus dem Grundzustand populiert wird, konnte im Rahmen der „Reflexion Approximation” die Wahrscheinlichkeitsverteilung der Abstände der beiden Dimeratome experimentell visualisiert werden. Das Betragsquadrat des Kernanteils der Dimergrundzustandswellenfunktion wurde somit direkt vermessen. Die Messungen wurden bei drei verschiedenen Photonenenergien durchgeführt, um die Ergebnisse weiter abzusichern und robuster gegen eventuelle systematische Fehler zu machen. Da kein isotopenreines Neongas im Experiment eingesetzt wurde, konnten genauso Ionisations- und ICD-Ereignisse von isotopischen Dimeren (20Ne22Ne) beobachtet und ausgewertet werden. Die gemessenen Spektren sind innerhalb der Messtoleranzen identisch zu denen für 20Ne2.
Collisions of Si(14.5A GeV+Au are investigated in the relativistic-quantum-molecular-dynamics approach. The calculated pseudorapidity distributions for central collisions compare well with recent experimental data, indicating a large degree of nuclear stopping and thermalization. Nevertheless, nonequilibrium effects play an important role in such complex multihadron reactions: They lead to a strong enhancement of the total kaon production cross sections, in good agreement with the experimental data, without requiring the formation of a deconfined quark-gluon plasma.
This review is a summary of my work (partially in collaboration with Kurt Schoenhammer) on higher-dimensional bosonization during the years 1994-1996. It has been published as a book entitled "Bosonization of interacting fermions in arbitrary dimensions" by Springer Verlag (Lecture Notes in Physics m48, Springer, Berlin, 1997). I have NOT revised this review, so that there is no reference to the literature after 1996. However, the basic ideas underlying the functional bosonization approach outlined in this review are still valid today.
Angular and energy distributions of fragments emitted from fast nucleus-nucleus collisions (Ne--> U at 250, 400, and 800 MeV/N) are calculated with use of nuclear fluid dynamics. A characteristic dependence of the energy spectra and angular distributions on the impact parameter is predicted. The preferential sideward emission of reaction fragments observed in the calculation for nearly central collisions seems to be supported by recent experimental data.
We present an analysis of high energy heavy ion collisions at intermediate impact parameters, using a two-dimensional fluid-dynamical model including shear and bulk viscosity, heat conduction, a realistic treatment of the nuclear binding, and an analysis of the final thermal emission of free nucleons. We find large collective momentum transfer to projectile and target residues (the highly inelastic bounce-off effect) and explosion of the hot compressed shock zones formed during the impact. As the calculated azimuthal dependence of energy spectra and angular distributions of emitted nucleons depends strongly on the coefficients of viscosity and thermal conductivity, future exclusive measurements may allow for an experimental determination of these transport coefficients. The importance of 4π measurements with full azimuthal information is pointed out.
Mit dem Dileptonenspektrometer HADES sollen Dielektronen aus Kern - Kern - Stößen in einem hadronischen Untergrund bei hohen Multiplizitäten untersucht werden. Die Ereignisrate von 106 pro Sekunde erfordert eine Auslese der Detektoren innerhalb von 10 mikrosek. Die erwarteten hohen Multiplizitäten führen zu einer hohen Granularität der Detektoren und damit auch der Ausleseelektronik. Durch die Verwendung mehrere Triggerstufen wird eine Aufteilung des Auslesesystems auf mehrere Stufen notwendig. Für die Auslese von ~ 26.000 Driftzellen in 24 Driftkammermodulen wurde ein an die Anforderungen des Detektorsystems angepaßtes Auslesekonzept entwickelt. Analoge Signalaufbereitung und Messung der Driftzeit werden direkt am Detektor auf zwei miteinander kombinierten Karten untergebracht. Die nötige Integrationsdichte im Digitalisierungsteil wird durch die Verwendung eines speziellen Zeitmeßverfahrens (TDC) erreicht, das auf Signallaufzeiten in Halbleiterschaltungen basiert. Im gleichen Chip befindet sich auch eine Datenübertragungseinheit, die in der Lage ist die Daten mit der erforderlichen Geschwindigkeit zu transferieren. Durch zwei weitere Module mit Speicher zum Puffern der Ereignisdaten wird den Anforderungen des Triggerkonzeptes Rechnung getragen. Dem verwendete Zeitmeßverfahren (Ringoszillator) ist eine Abhängigkeit der Zeitauflösung von Temperatur und Versorgungsspannung inherent. Ausführliche Messungen im Rahmen dieser Arbeit zeigen, daß die relativen Abhängigkeiten mit 0,2 Promille jedoch in einem Bereich liegen, in dem sie durch geeignete Maßnahmen kontrolliert werden können. Dazu zählen die regelmäßige Kalibrierung, sowie die Messung und Überwachung von Temperatur und Versorgungsspannung. Die Leistungsaufnahme des Auslesesystems liegt mit 5kW (total) noch um ca. einen Faktor zwei über den Spezifikationen. Sowohl die Tests des TDC Zeitmeßteils, als auch die Simulationen zeigen die Realisierbarkeit des Systems. Dies konnte auch durch Simulationen des gesamten Auslesesystems im Rahmen einer Projektstudie zum Triggerkonzept an der Universität Giessen nachgewiesen werden. Ein abschließender Funktionstest der Ausleseelektronik mit dem TDC an der Prototypdriftkammer im Labor ist gegenwärtig in Vorbereitung. Zur endgültigen Realisierung der Ausleseelektronik bedarf es noch der Reduzierung des Platzbedarfes sowie der Leistungsaufnahme. Zur Reduktion der Größe des Motherboardes wird eine mehrlagige Platine entwickelt. Für die Anbringung der Daughterboards ist eine platzsparende Geometrie vorgesehen. Die Reduktion der Leistungsaufnahme wird hauptsächlich durch neuere Entwicklungen bei den Daughterboards möglich. Auch die Verwendbarkeit des im Rahmen eines anderen Projektes entwickelten SAM - Modules als Konzentrator für die Driftkammerauslese ist zu untersuchen. Da diese Karte auch einen DSP enthält, ist entsprechende Software erforderlich. Die Segmentierung des modularen Spektrometersystems erlaubt den endgültigen Aufbau in mehreren Schritten. Vorgesehen ist, zunächst nur einzelne Segmente oder einzelne Ebenen der Driftkammern aufzubauen, und das komplette System erst zu einem spätern Zeitpunkt in Betrieb zu nehmen. Einzelne Komponenten können durch Neuentwicklungen ersetzt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurden zeitaufgelöste optische und magneto-optische Untersuchungen an den halb-metallischen gemischtvalenten Manganatverbindungen La0.67Ca0.33MnO3 und Nd0.7Sr0.3MnO3 durchgeführt, die wichtige Informationen über die nach der optischen Anregung ablaufenden Relaxationsprozesse lieferten. Dabei wird das zu untersuchende Material mittels eines intensitätsstarken ultrakurzen Lichtpuls angeregt. Die dadurch erzeugten Änderungen in der komplexen dielektrischen Funktion der Probe tastet man mittels eines zweiten intensitätsschwächeren ultrakurzen Lichtpuls ab. Durch eine variable Weglängendifferenz zwischen den optischen Wegen des Anregeund des Abtastpulses erzeugt man eine variable Zeitverzögerung und kann damit die Änderungen in der dielektrischen Funktion zeitaufgelöst untersuchen....
In der vorliegenden Diplomarbeit wurden verschiedene THz-Emissions- und Detektionsverfahren im Hinblick auf ihre Eignung für das verwendete regenerativ verstärkte Lasersystem verglichen. Als der Emitter mit der höchsten Konversionseffizienz und dementsprechend den höchsten THz-Pulsenergien erwies sich der großfkächige, extern vorgespannte GaAs-Emitter. Bezüglich des für viele Anwendungen wichtigeren Signal-Rausch-Verhältnisses hingegen zeigt sich für Frequenzen oberhalb von etwa 200 GHz der EO-ZnTe-Emitter als überlegen. Weder der intrinsische Emitter, noch das vorgespannte Plasma ließen eine vergleichbare Eignung erkennen. Für die THz-Detektion ist das Ergebnis eindeutig: Die EO-Detektion ist für das verwendete Lasersystem der Detektion mit Halbleiter-Antennen sowohl hinsichtlich Signal-zu-Rauschverhältnis als auch Bandbreite überlegen. Zur Steigerung der emittierten Bandbreite und der detektierten Feldstärke der Emissionsverfahren bestehen verschiedene Ansätze: ...
Als Ergebnis dieser Arbeit kann man sehen, daß es experimentiell gelungen ist, mit einem alpha-förmigen Linearresonator einen stabilen unabhängig abstimmbaren Zwei-Farben Ti:saphir Laser aufzubauen, der so in der wissenschaflichen Literatur noch nicht beschrieben ist. Eine Veröfentlichung zu der vorgelegten Arbeit [22] ist beim IEEE Journal of Quantum Electronics eingereicht worden. Die Ausgangsleistung dieses Lasers liegt bei 300 mW. Die durchgeführten Experimente lassen darauf schließen, daß der Laser die meiste Zeit nur auf einer longitudinalen Mode emittiert. Bei einem gleichzeitig möglichen Abstimmbereich von 740 nm bis 850 nm, welches ein Verhältnis von Linienbreite zu Abstimmbereich von besser als 1:250000 bedeutet. Den Beweis, daß der Laser auch bei sehr geringen Differenzfrequenzen betrieben werden kann, lieferte die direkte Messung des Schwebungssignals zwischen den beiden Lasern. Dabei muß man zugeben, daß das im Eingangszitat dieser Arbeit erwähnte Schwebungssignal nicht ohne Hilfsmittel an einer Wand zu beobachten war, sondern eine minimale Schwebung von 3 Mhz gemessen wurde. Im Vergleich zu den 3 x 10 exp 8 Mhz der einzelner Farben ist dies aber ein gutes Ergebnis. Zusätzlich wurde mit dem Ringlaser ein anderer Ansatz zur Abstimmung des Systems realisiert. Diese Anordnung hat mit 800 mW Vorteile bezüglich der Ausgangsleistung aber Nachteile in Hinblick auf Abstimmung und Linienbreite. Im theoretischen Teil konnte gezeigt werden, welche Eigenschaften ein Laser-Resonator haben muß, um stabil im Zweifarben Betrieb eingesetzt zu werden. Weiterhin konnten auch noch die dynamischen Effekte der beiden Resonatortypen mit Hilfe einer Simulation beschrieben werden. Der Laser soll in der Erzeugung von kontinuierlicher Strahlung im Thz Bereich verwendet werden. Dabei sollen photokonduktive Antennen, wie auch Halbleiteroberflächen als Emitter dienen. Bis zum Ende dieser Arbeit konnte der Laser aus zeitlichen Gründen nicht für diese Messungen eingesetzt werden, da es zu Verzögerungen mit den Proben, wie auch mit den Meßgeräten kam. Die Charakterisierung des Lasers aber zeigte, daß die beiden schmalbandigen Farben bei einer Differenzfrenz im Thz-Bereich (20 GHz–50THz) stabil zu realisieren sind.
Die vorliegende Diplomarbeit lässt sich dem Gebiet der Terahertz-Physik (THz-Physik) zuordnen, also dem Gebiet der Physik, das sich mit der Erzeugung und Detektion von Ferninfrarotstrahlung beschäftigt. THz-Strahlung stellt dabei die Verbindung zwischen den elektromagnetischen Mikrowellen und den Wellen des infraroten Frequenzbereiches dar. Damit umfasst der THz-Bereich Frequenzen von etwa 100 GHz bis zu 100 THz. Die Forschung, die sich mit diesem Frequenzbereich beschäftigt, ist mittlerweile stark differenziert. Dabei geht es auf der einen Seite um die Entwicklung neuer bzw. die Weiterentwicklung und Optimierung bestehender THz-Erzeugungs- und Detektionsverfahren, auf der anderen Seite geht es um die Frage nach den möglichen Anwendungsgebieten für die entwickelten THz-Techniken. Entwickelt werden sowohl gepulste wie auch Dauerstrich-THz-Systeme, die auf einer Vielzahl verschiedener physikalischer Emissionsprozesse basieren. Die Anwendungsseite der THz-Forschung umfasst Gebiete wie die Spektroskopie, d.h. die Materialcharakterisierung und -untersuchung, aber auch komplexe biomedizinische Untersuchungsverfahren, wie z.B. die Krebsdiagnostik in der Onkologie. In der Bandbreite der weltweiten THz-Aktivitäten befindet sich diese Arbeit sowohl im Bereich der Entwicklung von THz-Techniken als auch in dem eher anwendungsbezogenen Bereich: Zunächst werden im zweiten Kapitel die verwendeten THz-Techniken und Messaufbauten vorgestellt, ebenso wie deren Funktionsweisen und speziellen Eigenschaften. Das dritte Kapitel beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung von großflächigen THz-Emittern in gepulsten Lasersystemen. Diese weisen gegenüber den häufig verwendeten punktförmigen THz-Emittern einige grundlegende Unterschiede auf. Diese Unterschiede sollen zunächst durch die in das Kapitel einführenden theoretischen Grundlagen herausgearbeitet und danach anhand eines elektrooptischen Emitters und eines elektrisch vorgespannten Halbleiteremitters überprüft werden. In den folgenden Kapiteln wendet sich der Fokus dann mehr der Anwendung von THz-Strahlung zu. Dazu finden im vierten Kapitel Überlegungen und Experimente zu der Charakterisierung von, zunächst anorganischen, mehrschichtigen Systemen auf der Basis von Halbleiterstrukturen statt, die mit einem Ausblick auf eine biomedizinische Anwendung der THz-Strahlung, bei der Untersuchung von Zähnen, abgeschlossen werden. Im fünften Kapitel soll ein Silizium-Paraffin-Gemisch auf seine Stoffigenschaften untersucht werden. Für dieses Gemisch lassen sich die Stoffeigenschaften im THz-Bereich mittels des Mischungsverhältnisses der beiden Ausgangsmaterialien anpassen. Mögliche Anwendungen für ein solches Material sind indexangepasste Füllungen von Zwischenräumen, um störende Reflexionen an den jeweiligen Grenzflächen zu vermeiden; so wie die Konstruktion von Antireflexionsschichten für THz-Optiken. Beide Anwendungen werden in Form von Experimenten vorgestellt. Abschließend werden alle Ergebnisse in einem Fazit zusammengefasst, und es erfolgt ein Ausblick auf weitere Untersuchungen.
HADES : ein Dielektronenspekrometer hoher Akzeptanz für relativistische Schwerionenkollisionen
(1995)
Das Dielektronenspektrometer HADES (High Acceptance Dielectron Spectrometer) wird gegenwärtig am Schwerionensynchrotron der Gesellschaft für Schwerionenforschung (Darmstadt) aufgebaut. Die Spektroskopie von Elektron-Positron-Paaren (Dielektronen) aus Kern-Kern-Kollisonen mit Projektilenergien von 1 bis 2 GeV/Nukleon verspricht einen Einblick in die Eigenschaften von Hadronen bei Dichten, die das Dreifache von normaler Kerndichte erreichen. Es wird erwartet, daß sich die Massenverteilung der unterhalb der Schwelle erzeugten leichten Vektormesonen rho. omega und phi anhand ihres Zerfalls in Dielektronen experimentell untersuchen läßt. Die Beobachtung von Massenänderungen kann Hinweise auf die Restauration der im Vakuum gebrochenen chiralen Symmetrie geben. Die Eigenschaften des Spektrometers wurden in der vorliegenden Arbeit mit Simulationsrechnungen (GEANT) untersucht und optimiert. Zur Leptonenidentifizierung dient ein ortsempfindlicher Cerenkov-Zähler (RICH1) mit Gasradiator, azimutal symmetrischem Spiegel und V-Photonendetektor. Durch die geometrische Anordnung des RICH und mit sechs supraleitenden Spulen in toroidaler Anordung erreicht HADES eine Polarwinkelakzeptanz von 18 bis 85 Grad. Die Feldverteilung ist der kinematischen Impulsverteilung angepaßt und garantiert Feldfreiheit im RICH. Je ein Paar Minidriftkammern vor und hinter dem Magnetfeldbereich messen die Trajektorie zur anschließenden Rekonstruktion von Impuls, Winkel und Vertex. Zuletzt passieren die Teilchen META, eine Detektorkombination von Szintillatoren und Schauerdetektor. Aus der Multiplizität geladener Teilchen in den Szintillatoren werden zentrale Kollisionen für den Trigger der ersten Stufe selektiert. Den Trigger der zweiten Stufe definieren zwei erkannte Ringe im RICH, die jeweils einem Elektronensignal in META zuzuordnen sind. HADES ist ein Experiment der zweiten Generation. Die Messungen mit dem Dileptonenspektrometer DLS am BEVALAC (Berkeley, USA) ergaben nur für leichte Stoßsysteme e+e- -Spektren guter Statistik. HADES besitzt mit 35% die hundertfache geometrische e+e- - Akzeptanz des DLS. Darüber hinaus können mit einer Massenauflösung von weniger als 1% (DLS 12%) die e+e- -Beiträge von omega- und rho-Meson getrennt werden. Es ist für die Anforderungen von Au+Au-Kollisionen bei hohen Kollisionsraten von 106 pro Sekunde konzipiert. Bei einer Anzahl von bis zu 170 Protonen und 20 geladenen Pionen sowie mehr als 0.1 e+e- -Paaren durch den pi 0-Zerfall werden pro zentralerKollision etwa 10 exp 6 Dielektronen aus dem rho- oder omega-Zerfall erwartet. Leptonen, die aus dem Zerfall verschiedener pi 0-Mesonen stammen, bilden kombinatorische e+e- -Paare, die auch im e+e- -Massenbereich der Vektormesonen beitragen können. Durch Rekonstruktion und durch Methoden der Untergrunderkennung wird der e+e- -Untergrund um nahezu zwei Größenordnungen unterdrückt, während die Effizienz für echte Dielektronen etwa 55% beträgt. Die Leptonen des verbleibenden Untergrunds stammen zu mehr als 50% aus dem pi-0-Dalitz-Zerfall und zu etwa 40% aus externer Paarkonversion von ..-Quanten des Zerfalls pi 0.. , wobei Konversionsprozesse im Radiatorgas und im Target zu gleichen Teilen beitragen. pi 0-Dalitz-Zerfall überwiegt im kombinatorischen Massenspektrum bis 500 MeV/c2 ; oberhalb von 500 MeV/c2 dominiert externe Paarkonversion.
Konzeptionelle Untersuchungen eines Dielektronenspektrometers für Schwerionenstöße im GeV/u-Bereich
(1993)
Mit dem Dileptonenspektrometer HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer) sollen Dielektronen, die bei zentralen Au+Au-Kollisionen der Energie von bis zu 2 GeV/u entstehen, spektroskopiert werden. Zentrale Detektorkomponente ist ein Magnetspektrometer, bestehend aus einem toroidalem Magnetfeld und 24 Driftkammern, die zur Orts- und Impulsbestimmung durch Ablenkung im Magnetfeld verwendet werden. Hohe Raten minimal ionisierender Teilchen, eine Massenauflösung von 1% im Massenbereich von 800 (MeVc) exp -2 sowie eine sichere Signalerkennung und -zuordnung stellen höchste Anforderungen an das Spektrometer, insbesondere an die Driftkammern. Ziel dieser Arbeit ist das grundlegende Verständnis der Funktionsweise der Driftkammern, die bei HADES eingesetzt werden, dazu gehört: (a): das physikalische Verständnis der Funktionsweise, insbesondere - die genaue Kenntnis des Feldverlaufs innerhalb der Kammern, sowie die Eigenschaften des verwendeten Driftkammergases und - die Bestimmung des theoretisch maximal erreichbaren Ortsauflösungsvermögens der Driftkammern, (b): die technische Seite, die den Aufbau der Driftkammern untersucht. Dies ist besonders wichtig, da in den HADES-Simulationsrechnungen aufgrund der großen Anzahl individueller Drähte mit Folien äquivalenter Massen gerechnet wurde. Hilfsmittel zur Untersuchung dieser Fragestellungen waren einerseits Programme, die Monte-Carlo-Methoden verwenden, andererseits Experimente, die an einem Prototyp der HADES-Driftkammern durchgeführt wurden, wobei jedoch der Schwerpunkt dieser Arbeit auf den Simulationrechnungen liegt. Kapitel 1 gibt einen Überblick über die physikalische Motivation von HADES und beschreibt kurz die einzelnen Komponenten des Spektrometers und die Driftkammerphysik. Kapitel 2 geht auf den Aufbau der HADES-Driftkammern ein und stellt die mit Hilfe von Simulationsrechnungen gewonnenen Erkenntnisse über die Kammern vor. Kapitel 3 behandelt die Bestimmung der intrinsischen Auflöosung der Prototyp-Driftkammer. Da dies allein mit Hilfe von Quellenmessungen aufgrund der Vielfachstreuung nicht möglich ist, wurde der Anteil an Vielfachstreuung mit Simulationsrechnungen bestimmt. Kapitel 4 vergleicht die Erkenntnisse über das Verhalten der Driftkammern, die in Kapitel 2 gewonnen wurden, mit einem am SIS (Schwerionen-Synchrotron) gemachten Experiment. Abschließend wird das Modell einer Driftkammer mit realen Drähten mit dem Modell einer Driftkammer verglichen, in der die Drähte durch Folien äquivalenter Massenbelegung ersetzt wurden.
Im HADES-Detektorsystem werden Vieldraht-Driftkammern zur Spurrekonstruktion verwendet. Für eine genaue Untersuchung des Driftzeitverhaltens innerhalb der Driftzellen wird ein ortsempfindliches Referenzdetektorsystem benötigt. Hierfür wurden Silizium-Mikrostreifen-Detektoren mit einer Ortsauflösung im Bereich kleiner als 10 mikrom eingesetzt. Diese wurden zu einem Strahlteleskop zusammengebaut, mit dem die Teilchentrajektorie zwischen zwei Referenz-Meßunkten bestimmt werden kann. Probleme bereitete die Vielfachstreuung in den einzelnen Komponenten des Teleskop-Aufbaus, die den geradlinigen Teilchendurchgang zwischen den beiden Ortsmessungen beeinflußte. Dies wurde durch Messung mit Teilchen höherer Steifigkeit ausgeglichen. Die Silizium-mü-Streifen-Detektoren zeigten ein gutes Signal-zu-Untergrund Verhalten und wiesen eine sehr gute Effizienz auf. Die Bestimmung des Teilchendurchgangsortes durch den Driftkammer-Prototyp 0 ermöglichte die Messung der Driftgeschwindigkeit. Auch das Driftzeitverhalten in Abhängigkeit vom Ort des Teilchendurchgangs konnte genau untersucht werden.
Gemessen wurden der gerichtete und der elliptische Fluss von Pionen und Protonen in Blei-Blei-Stößen bei einer Laborenergie des Projektils von 40 GeV pro Nukleon. Bestimmt wurde die Abhängigkeit der beiden Flusskomponenten von der Zentralität des Stoßes sowie von der Rapidität und dem Transversalimpuls der gemessenen Teilchen. Zur Rekonstruktion des Flusses wurde die Methode der Korrelation der Teilchen mit der abgeschätzten Reaktionsebene verwendet. Zur Korrektur der azimutalen Anisotropien des Detektors wurde die Methode des Zentrierens der Teilchenverteilung in Abhängigkeit von Rapidität und Transversalimpuls angewendet. Für den v2 wurde eine Abänderung des Korrelationsterms nötig, um den Einflüssen durch die schlechte Akzeptanz entgegenzuwirken. Weiterhin wurde der Einfluss von Nicht-Fluss-Korrelationen zwischen den gemessenen Teilchen auf den Fluss untersucht. Dabei erkannte man einen starken Einfluss der Transversalimpulserhaltung im v1, der durch eine Korrektur behoben werden konnte. Einen weniger starken Einfluss konnte man bei der Untersuchung im Phasenraum kurzreichweitiger Korrelationen feststellen. Es wurde erstmals deutlich ein negativer gerichteter Fluss von Protonen nahe der Schwerpunktsrapidität beobachtet, der bereits mittels meherer theoretischer Rechnungen vorhergesagt wurde. Sowohl der gerichtete als auch der elliptische Fluss erreicht bei 40 AGeV Laborenergie annähernd die gleichen Werte, die von NA49 bei 158 AGeV Laborenergie gemessen wurden. Die für den Fluss gemessenen Werte befinden sich teilweise in Übereinstimmung mit denen des Experimentes CERES/NA45, ist allerdings nur bedingt möglich, da bisher nur einzelne vorläufige Resultate veröffentlicht wurden. Die für den elliptischen Fluss gemessenen Werte bei der Schwerpunktsrapidität und einer Zentralität von 25% liegen etwas höher als man aus der beobachteten Systematik der Energieabhängigkeit zwischen den Experimenten E877 (mit 10 AGeV Laborenergie am AGS), CERES und NA49 (bei einer Energie von und 160 AGeV am SPS) sowie STAR (am RHIC bei einer Energie von psNN = 130GeV) erwartet hat. So wird von den Werten am AGS bei voller Energie zu denen am SPS bei 40 AGeV ein Anstieg von 2% auf 3,3% beobachtet. Von 40 AGeV zu 158 AGeV Laborenergie am SPS ändert sich der Wert nur minimal von 3,3% auf 3,2%. Zwischen der höheren SPS-Energie von 158 AGeV und der RHIC-Energie von psNN = 130GeV wird ein weiterer Anstieg von 3,2% auf 5,6% gemessen. Das ist ein Anzeichen für eine Anomalie, die im Bereich der SPS-Energien vorliegen könnte. Eine genauere Bestimmung des Flusses ist noch möglich, da für die Analyse dieser Arbeit erst eine Hälfte der gemessenen Daten zur Verfügung stand. Mit Hilfe dieser Daten ließe sich die Energieabhängigkeit des Flusses genauer untersuchen und die gefundene Anomalie bestätigen.
We propose to use the hadron number fluctuations in the limited momentum regions to study the evolution of initial flows in high energy nuclear collisions. In this method by a proper preparation of a collision sample the projectile and target initial flows are marked in fluctuations in the number of colliding nucleons. We discuss three limiting cases of the evolution of flows, transparency, mixing and reflection, and present for them quantitative predictions obtained within several models. Finally, we apply the method to the NA49 results on fluctuations of the negatively charged hadron multiplicity in Pb+Pb interactions at 158A GeV and conclude that the data favor a hydrodynamical model with a significant degree of mixing of the initial flows at the early stage of collisions.
We present a detailed study of chemical freeze-out in p-p, C-C, Si-Si and Pb-Pb collisions at beam momenta of 158A GeV as well as Pb-Pb collisions at beam momenta of 20A, 30A, 40A and 80A GeV. By analyzing hadronic multiplicities within the statistical hadronization model, we have studied the parameters of the source as a function of the number of the participating nucleons and the beam energy. We observe a nice smooth behaviour of temperature, baryon chemical potential and strangeness under-saturation parameter as a function of energy and nucleus size. Interpolating formulas are provided which allow to predict the chemical freeze-out parameters in central collisions at centre-of-mass energies > 4.5 GeV and for any colliding ions. Specific discrepancies between data and model emerge in particle ratios in Pb-Pb collisions at SPS between 20A and 40A GeV of beam energy which cannot be accounted for in the considered model schemes.
We study forward-backward charge fluctuations to probe the correlations among produced particles in ultra relativistic heavy ion collisions. We develop a model that describes the forward-backward dynamical fluctuations and apply it to interpret the recent PHOBOS data. Within the present model, the dynamical fluctuations are related to the particle production mechanism via cluster decay and to long range correlations between the forward and backward rapidity hemispheres. We argue that with a tight centrality cut, PHOBOS may see a strong decrease of the dynamical fluctuations. Within the present model, this deterioration of the correlation among the produced hadrons can be interpreted as a sign for the production of a hot, dense and interacting medium.
Two-particle correlation data are presented for the reaction Ar (800 MeV/ nucleon) + Pb. The experimental results are analyzed in the nuclear fluid dynamical and in a linear cascade model. We demonstrate that the collective hydrodynamical correlations dominate the measured two-particle correlation function for the heavy system studied. We discuss the transition from the early stages of the reaction which are governed by few nucleon correlations, to the later stages with their macroscopic flow which can only be reached using heavy colliding systems. The sensitivity of the correlation data on the underlying compressional dissipative processes is analyzed.
The fluid dynamical model is used to study the reactions 20Ne+238U and 40Ar+40Ca at Elab=390 MeV/nucleon. The calculated double differential cross sections d²ð/dΩdE exhibit sidewards maxima in agreement with recent experimental data. The azimuthal dependence of the triple differential distributions, to be obtained from an event-by-event analysis of 4π; exclusive experiments, can yield deeper insight into the collision process: Jets of nuclear matter are predicted with a strongly impact-parameter-dependent thrust angle θjet(b). NUCLEAR REACTIONS Ar+Ca, Ne+U, Elab=393 MeV/nucleon, fluid dynamics with thermal breakup, double differential cross sections, azimuthal dependence of triple differential cross sections, event-by-event thrust analysis of 4π exclusive experiments.
Measurement of complex fragments and clues to the entropy production from 42-137-MeV/nucleon Ar + Au
(1983)
Intermediate-rapidity fragments with A=1-14 emitted from 42-137-MeV/nucleon Ar + Au have been measured. Evidence is presented that these fragments arise from a common moving source. Entropy values are extracted from the mass distributions by use of quantum statistical and Hauser-Feshbach theories. The extracted entropy values of S/A≈2-2.4 are much smaller than the values expected from measured deuteron-to-proton ratios, but are still considerably higher than theoretically predicted values.
Proton spectra have been calculated for the reaction 12C(85 MeV/nucleon) + 197Au using a three-dimensional hydrodynamical model with viscosity and thermal conductivity and final thermal breakup. The theoretical results are compared to recent data. It is shown that the predicted flow effects are not observable as a result of the impact parameter averaging inherent in the inclusive proton spectra. In contrast, angular distributions of medium mass nuclei (A>3) in nearly central collisions can provide signatures for flow effects.
The time dependent Hartree-Fock approximation is used to study the dynamical formation of long-lived superheavy nuclear complexes. The effects of long-range Coulomb polarization are treated in terms of a classical quadrupole polarization model. Our calculations show the existence of "resonantlike" structures over a narrow range of bombarding energies near the Coulomb barrier. Calculations of 238U + 238U are presented and the consequences of these results for supercritical positron emission are discussed. NUCLEAR REACTIONS 238U + 238U collisions as a function of bombarding energy, in the time-dependent Hartree-Fock approximation. Superheavy molecules and strongly damped collisions.
Energy spectra for p, d, t, 3He, 4He, and 6He from the reaction 12C+197Au at 35 MeV/nucleon are presented. A common intermediate rapidity source is identified using a moving source fit to the spectra that yields cross sections which are compared to analogous data at other bombarding energies and to several different models. The excitation function of the composite to proton ratios is compared with quantum statistical, hydrodynamic, and thermal models.
Microscopic calculations of collective flow probing the short-range nature of the nuclear force
(1984)
Collisions between two nuclei have been modeled by numerical solution of classical approximations to the equations of motion of the constituent nucleons. For the reaction Nb(400 MeV/u)+Nb, a correlated sidewards emission of nucleons is observed. This is attributed to the repulsive short-range component of the nucleon-nucleon potential. A strong dependence of the flow angle on the impact parameter is observed, in accord with recent experimental results.
Rapidity dependence of entropy production in proton- and nucleus-induced reactions on heavy nuclei
(1984)
The entropy of hot nuclear systems is deduced from the mass distribution of fragments emitted from high energy proton- and nucleus-induced reactions via a quantum statistical model. It is found that the entropy per baryon, S/A, of intermediate rapidity ("participant") fragments is higher than the entropy of target rapidity ("spectator") fragments. The spectator fragments exhibit S/A values of ≅ 1.8 independent of the projectile energy from 30 MeV/nucleon up to 350 GeV. This value of the entropy coincides with the entropy at which nuclear matter becomes unbound.
Kinetic energy flow in Nb(400 A MeV) + Nb: evidence for hydrodynamic compression of nuclear matter
(1984)
A kinetic-energy—flow analysis of multiplicity-selected collisions of 93Nb(Elab=400A MeV)+93Nb is performed on the basis of the nuclear fluid dynamical model. The effects of finite particle numbers on the flow tensor are explicitly taken into account. Strong sidewards peaks are predicted in dN/dcosθF, the distribution of event by event flow angles. This is in qualitative agreement with recent data from the "Plastic Ball" electronic detection system. Cascade simulations fail to reproduce the data.
Nuclear collisions from 0.3 to 2 GeV/nucleon are studied in a microscopic theory based on Vlasov's self-consistent mean field and Uehling-Uhlenbeck's two-body collision term which respects the Pauli principle. The theory explains simultaneously the observed collective flow and the pion multiplicity and gives their dependence on the nuclear equation of state.
The novel momentum analysis technique introduced by Danielewicz and Odyniec can be used to detect and exhibit collective flow in the light system Ar(1800 MeV/nucleon) + KCl where the usual kinetic energy flow analysis fails. The microscopic Vlasov-Uehling-Uhlenbeck theory which includes the nuclear mean field, two-body collisions, and Pauli blocking is used to study this phenomenon. The resulting transverse momentum transfers turn out to be quite sensitive to the nuclear equation of state. From a comparison with experimental data, evidence is presented for a rather stiff nuclear equation of state. The cascade model is unable to describe the data.
The role of nonequilibrium and quantal effects in fast nucleus-nucleus collisions is studied via the Vlasov-Uehling-Uhlenbeck theory which includes the nuclear mean field dynamics, two-body collisions, and Pauli blocking. The intranuclear cascade model, where the dynamics is governed by independent NN collisions, and the Vlasov equation, where the nuclear mean field determines the collision dynamics, are also studied as reference cases. The Vlasov equation (no collision term) yields single particle distribution functions which–after the reaction–are only slightly modified in momentum space; even in central collisions, transparency is predicted. This is in agreement with the predictions of the quantal time-dependent Hartree-Fock method. In contrast, large momentum transfer is obtained when the Uehling-Uhlenbeck collision term is incorporated; then the final momentum distribution is nearly spherically symmetric in the center of mass and a well-equilibrated nuclear system is formed: the nuclei stop each other; the translational kinetic energy is transformed into randomized microscopic motion. The Vlasov-Uehling-Uhlenbeck theory is supplemented with a phase space coalescence model of fragment formation. Calculated proton spectra compare well with recent data for Ar(42, 92, and 137 MeV/nucleon) + Ca. Also the total yields of medium mass fragments are well reproduced in the present approach. The mean field dynamics without two-body collisions, on the other hand, exhibits forward peaked proton distributions, in contrast to the data. The cascade approach underpredicts the yields of low energy protons by more than an order of magnitude.
The influence of fluctuations of the shape degree of freedom in collisions of deformed nuclei with energies between 0.8 and 2.1 GeV/nucleon is analyzed on the basis of an intranuclear cascade simulation for the strongly deformed systems 46Ti+ 46Ti and 166Er+ 166Er. While there is a considerable sensitivity of the global event variables to the orientation for polarized beams and targets, this dependence disappears in the average over all orientations for impact parameter selected and integrated events. The dependence of the nuclear stopping and thermalization on the size of the system under consideration and on the bombarding energy is also investigated.
We study the recent claim that the intranuclear cascade model exhibits collective sidewards flow. 4000 intranuclear cascade simulations of the reaction Nb(400 MeV/nucleon)+Nb are performed employing bound and unbound versions of the Cugnon cascade. We show that instability of the target and projectile nuclei in the unbound cascade produces substantial spurious sidewards flow angles, for spectators as well as for participants. Once the nuclear binding is included, the peak of the flow angle distributions for the participants alone is reduced from 35° to 17°. The theoretical ‘‘data’’ are subjected to the experimental multiplicity and efficiency cuts of the plastic ball 4π electronic spectrometer system. The flow angular distributions obtained from the bound cascade—with spectators and participants subjected to the plastic ball filter—are forward peaked, in contrast to the plastic ball data. We discuss the uncertainties encountered with the application of the experimental efficiency and multiplicity filter. The influence of the Pauli principle on the flow is also discussed. The lack of flow effects in the cascade model clearly reflects the absence of the nuclear compression energy that can cause substantially larger collective sidewards motion—there is too little intrinsic pressure built up in the cascade model.
Time dependent dirac equation with relativistic mean field dynamics applied to heavy ion scattering
(1986)
We treat the relativistic propagation of nucleons coupled to scalar- and vector-meson fields in a mean-field approximation. The time-dependent Dirac and mean-meson-field equations are solved numerically in three dimensions. Collisions of 16O(300, 600, and 1200 MeV/nucleon) + 16O are studied for various impact parameters. The results are compared to other recent theoretical approaches. The calculations predict spallation, large transverse-momentum transfer, and positive-angle sidewards flow, in qualitative agreement with the data in this energy regime.
Studying Walecka's mean-field theory we find that one can reproduce the observed binding energy and density of nuclear matter within experimental precision in an area characterized by a line in the coupling-constant plane. A part of this line defines systems which exhibit a phase transition around Tc~200 MeV for zero baryon density. The rest corresponds to such systems where the phase transition is absent; in that case a peak appears in the specific heat around T~200 MeV. We interpret these results as indicating that the hadron phase of nuclear matter alone indicates the occurrence of an abrupt change in the bulk properties around ρV~0 and T~200 MeV.
We present a theoretical description of nuclear collisions which consists of a three-dimensional fluid-dynamical model, a chemical equilibrium breakup calculation for local light fragment (i.e., p, n, d, t, 3He, and 4He) production, and a final thermal evaporation of these particles. The light fragment cross sections and some properties of the heavy target residues are calculated for the asymmetric system Ne+U at 400 MeV/N. The results of the model calculations are compared with recent experimental data. Several observable signatures of the collective hydrodynamical processes are consistent with the present data. An event-by-event analysis of the flow patterns of the various clusters is proposed which can yield deeper insight into the collision dynamics.
Intranuclear cascade calculations and fluid dynamical predictions of the kinetic energy flow are compared for collisions of 40Ca + 40Ca and 238U + 238U. The aspect ratio, R13, as obtained from the global analysis, is independent of the bombarding energy for the intranuclear cascade model. Fluid dynamics, on the other hand, predicts a dramatic increase of R13 at medium energies Elab≲200 MeV/nucleon. In fact, R13(Elab) directly reflects the incompressibility of the nuclear matter and can be used to extract the nuclear equation of stat at high densities. Distortions of the flow tensor due to few nucleon scattering are analyzed. Possible procedures to remove this background from experimental data are discussed.
We analyze the phase structure of the nonlinear mean-field meson theory of baryonic matter (nucleons plus delta resonances). Depending on the choice of the coupling constants, we find three physically distinct phase transitions in this theory: a nucleonic liquid-gas transition in the low temperature, Tc<20 MeV, low density, ρ≃0.5ρ0, regime, a high-temperature (T≃150 MeV) finite density transition from a gas of massive hadrons to a nearly massless baryon, antibaryon plasma, and, third, a strong phase transition from the nucleonic fluid to a resonance-dominated ‘‘delta-matter’’ isomer at ρ>2ρ0 and Tc<50 MeV. All three phase transitions are of first order. It is shown that the occurrence of these different phase transitions depends critically on the coupling constants. Since the production of pions also depends strongly on the coupling constants, it is seen that the equation of state cannot be derived unambiguously from pion data.
We study the dynamics of high energy heavy ion collisions through the Vlasov-Uehling-Uhlenbeck approach. Equilibration is observed, for central collisions. It is shown that the produced entropy, the pion multiplicity, flow angle, and transverse momentum distributions saturate at the moment of maximum compression and temperature. The effects of the nuclear equation of state and the Pauli principle are investigated. For the flow angle distribution there is a 20 deg reduction of the peak flow angle due to the Pauli principle. A stiff equation of state results in a 10–20 deg increase over the soft equation of state at all energies. The transverse momentum at projectile rapidity exhibits a peak structure as a function of impact parameter b. A 40% difference between soft and hard equation of state is observed for the peak impact parameter, i.e., for intermediate multiplicities.
The final states of central Ca + Ca and Nb + Nb collisions at 400 and 1050 MeV/nucleon and at 400 and 650 MeV/nucleon, respectively, are studied with two independently developed statistical models, namely the classical microcanonical model and the quantum-statistical grand canonical model. It is shown that these models are in agreement with each other for these systems. Furthermore, it is demonstrated that there is essentially a one-to-one relationship between the observed relative abundances of the light fragments p, d, t, 3He, and α and the entropy per nucleon, for breakup temperatures greater than 30 MeV. Entropy values of 3.5–4 are deduced from high-multiplicity selected fragment yield data.
We demonstrate that momentum-dependent nuclear interactions (MDI) have a large effect on the dynamics and on the observables of high-energy heavy-ion collisions: A soft potential with MDI suppresses pion and kaon yields much more strongly than a local hard potential and results in transverse momenta intermediate between soft and hard local potentials. The collective-flow angles and the deuteron-to-proton ratios are rather insensitive to the MDI. Only simultaneous measurements of these observables can give clues on the nuclear equation of state at densities of interest for supernova collapse and neutron-star stability.
The recent attempts to extract the temperature in the late stage of medium energy (20–60 MeV/nucleon) heavy ion collisions from the yields of γ- and particle-instable fragments are discussed. The quantum statistical model is employed to demonstrate that feeding from instable states distorts the yields used for the temperature determination severely. Some particle instable fragments are only moderately affected by feeding. These selected species can still be useful for determining the temperature. The breakup temperatures of the fragment conglomerate extracted with this method are T≃4–8 MeV, much smaller than the corresponding slope factors, which indicate T∼15 MeV.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die katalytische Wirkung von massenselektierten Edelmetallclustern in photographischen Entwicklern an möglichst praxisnahen photographischen Modellsystemen untersucht, um die bei der Belichtung und der anschließenden Entwicklung von photographischen Filmmaterialien ablaufenden Prozesse besser verstehen zu können. Hierzu wurden präformierte und anschließend massenspektrometrisch größenselektierte Edelmetallclusterionen sanft auf photographische Emulsionskörner aufgebracht und anschließend untersucht, wie die deponierten Clusterionen die chemische Reduktion dieser gelatinefreien Silberhalogenid-Mikrokristalle im Entwickler beeinflussen. Apparatives Kernstück ist eine in den letzten drei Jahren in der Arbeitsgruppe von Prof. L. Wöste an der Freien Universität in Berlin entwickelte Anlage mit der es möglich ist, Edelmetallcluster definierter Größe in so ausreichender Menge durch Sputtern zu erzeugen, daß auch nach kurzen Depositionszeiten genügend viele Cluster auf Oberflächen deponiert werden können. Hohe Teilchenströme von Silbercluster-Kationen wurden über einen weiten Größenbereich (Ag1 + -Ag34+) erzeugt. Der Silbercluster mit der geringsten Intensität im Spektrum, das besonders interessante Ag4 +, wurde mit einem Clusterstrom von 800 pA bei guter Massenauflösung erzeugt. Für Silbercluster-Anionen erzielt man annähernd die gleichen Teichenströme wie für die entsprechenden -Kationen. Durch Sputtern von Gold-Silber-Mischtargets ließen sich AunAgm+-Clusterionen bis zu einer Masse von 2200 amu erzeugen. Um die Forderung nach einem langsamen Aufbringen der Cluster auf die Oberfläche („soft landing“) zu erfüllen, wurden die Cluster mit Hilfe von zwei mit Stoßgas gefüllten Quadrupolen abgebremst. Durch die so verwirklichte sanfte Deposition der Cluster ist es erstmals gelungen, die photographische Wirkung der auf primitive Emulsionskörner deponierten Cluster in definierter, reproduzierbarer und daher aussagekräftiger Weise zu untersuchen. Das war möglich, weil die Depositionsenergien der Cluster (< 1 eV) unterhalb der Bindungsenergien der hier deponierten Edelmetallcluster liegen und somit eine Verfälschung der Resultate durch Fragmentation der Clusterionen ausgeschlossen werden konnte. Es konnte nachgewiesen werden, daß erst ab Depositionsenergien von ³ 5 eV eine vermehrte Fragmentation der Cluster zu erwarten ist. Ob ein Silbercluster an einem Emulsionskorn dessen bevorzugte Entwickelbarkeit einleitet, hängt nicht nur von der Größe des Aggregates und seiner Ladung ab, sondern auch vom Redoxpotential des photographischen Entwicklers. Positiv geladene Silbercluster aus mindestens vier Atomen (Agn+, n³4) katalysieren den Entwicklungsprozeß der Emulsionskörner bei Redoxpotentialen, die negativer als -310 mV (Ag/AgCl-Referenzelektrode) sind. Aber auch Ag3+-Cluster führen noch zu einer Entwickelbarkeit, wenn das Redoxpotential unterhalb -350 mV liegt. Im Gegensatz zu Ag3+-Clustern können Ag3--Cluster, ebenso wie Ag4+-Cluster, die Entwicklung bereits bei einem Redoxpotential von -310 mV katalysieren. Kleinere Silberaggregate, ob positiv oder negativ geladen, führen nicht zu einer bevorzugten Entwickelbarkeit der mit ihnen belegten Silberhalogenidkörner. Ein Einfluß der Kornmorphologie (Kuben, Oktaeder, T-grains) auf die kritische Clustergröße konnte nicht nachgewiesen werden. Erstmals war es auch möglich, Gold-Silber-Mischclusterionen auf ihre photographische Wirkung hin zu untersuchen. Dabei zeigte sich, daß die katalytische Wirkung von Gold-Silber-Mischclusterionen auf die Entwickelbarkeit der sie enthaltenden Emulsionskörner allein durch den Silberanteil der Cluster bestimmt wird. Mischcluster Ag1Aum+ (m³2) und Ag2Aum+ (m³1) katalysieren die Entwicklung nicht, unabhängig vom Redoxpotential. Dagegen leiten Ag3Aum + (m³2), entsprechend den Agn+-Clustern (n³4) bei Redoxpotentialen negativer als -310 mV die Entwicklung ein. Mischcluster mit höherem Silberanteil (AgnAum+; n³4, m³1) ändern ihre katalytische Wirkung gegenüber reinen Silberclustern entsprechender Größe nicht. Erstmals konnte auch der Begriff „Goldlatensifikation“ präzisiert werden. Die hier gefundnen Ergebnisse zeigen eindeutig, daß von einer solchen nur dann gesprochen werden kann, wenn sich die Goldatome an das Trimer anlagern. Dagegen kann die alleinige Substitution von Silber durch Gold sowohl als empfindlichkeitssteigernder Mechanismus bei der Goldlatensifikation als auch bei der Goldreifung ausgeschlossen werden. Reine Goldcluster-Kationen bis zum Au7 + zeigen keine katalytische Wirkung.
We study effects of the mean field in hot compressed nuclear matter in the context of the Vlasov Uehling-Uhlenbeck theory. The expansion of a spherical distribution at different temperatures is studied along with collisions of Nb+Nb and Au+Au at lab energies from 50 to 1050 MeV/nucleon. In both the expansion and the actual heavy ion collision simulation, a transition behavior is seen only at the lowest temperature (T<10 MeV) or bombarding energy (E=50 MeV/nucleon), where the attractive part of the mean field is able to bind the expanding matter. At the lowest energy one thus sees the formation of a central residue, whereas at higher bombarding energies there is complete disintegration of the centrally colliding nuclei. The spectrum of emitted nucleons is found to be much hotter than the kinetic energy spectrum of the central emitting region. The extracted temperature slope parameters are in agreement with recent data.
In the present paper we develop the essential theoretical tools for the treatment of the dynamics of High Energy Heavy Ion Collisions. We study the influence of the nuclear equation of state and discuss the new phenomena connected with phase transitions in nuclear matter (pion condensation). Furthermore we investigate the possibility of a transition from nuclear to quark matter in High Energy Heavy Ion Collisions. In this context we discuss exotic phenomena like strongly bound pionic states, limiting temperatures, and exotic nuclei.
Streamer chamber data for collisions of Ar + KCl and Ar + BaI2 at 1.2 GeV/nucleon are compared with microscopic model predictions based on the Vlasov-Uehling-Uhlenbeck equation, for various density-dependent nuclear equations of state. Multiplicity distributions and inclusive rapidity and transverse momentum spectra are in good agreement. Rapidity spectra show evidence of being useful in determining whether the model uses the correct cross sections for binary collisions in the nuclear medium, and whether momentum-dependent interactions are correctly incorporated. Sideward flow results do not favor the same nuclear stiffness parameter at all multiplicities.
We demonstrate that strangeness separates in the Gibbs-phase coexistence between a baryon-rich quark-gluon plasma and hadron matter, even at T=0. For finite temperatures this is due to the associated production of kaons (containing s¯ quarks) in the hadron phase while s quarks remain in the deconfined phase. The s-s¯ separation results in a strong enhancement of the s-quark abundance in the quark phase. This mechanism is further supported by cooling and net strangeness enrichment due to the prefreezeout evaporation of pions and K+, K0, which carry away entropy and anti- strangeness from the system. Metastable droplets (i.e., stable as far as weak interactions are not regarded) of strange-quark matter (‘‘strangelets’’) can thus be formed during the phase transition. Such cool, compact, long-lived clusters could be experimentally observed by their unusually small Z/A ratio (≤0.1–0.3). Even if the strange-quark-matter phase is not stable under strong interactions, it should be observable by the delayed correlated emission of several hyperons. This would serve as a unique signature for the transient formation of a quark-gluon plasma.
We have calculated the D-meson spectral density at finite temperature within a self-consistent coupled-channel approach that generates dynamically the Lambda_c (2593) resonance. We find a small mass shift for the D-meson in this hot and dense medium while the spectral density develops a sizeable width. The reduced attraction felt by the D-meson in hot and dense matter together with the large width observed have important consequences for the D-meson production in the future CBM experiment at FAIR.
The production of Large Extra Dimension (LXD) Black Holes (BHs), with a new, fundamental mass scale of M_f = 1 TeV, has been predicted to occur at the Large Hadron Collider, LHC, with the formidable rate of 10^8 per year in p-p collisions at full energy, 14 TeV, and at full luminosity. We show that such LXD-BH formation will be experimentally observable at the LHC by the complete disappearance of all very high p_t (> 500 GeV) back-to-back correlated Di-Jets of total mass M > M_f = 1 TeV. We suggest to complement this clear cut-off signal at M > 2*500 GeV in the di-jet-correlation function by detecting the subsequent, Hawking-decay products of the LXD-BHs, namely either multiple high energy (> 100 GeV) SM Mono-Jets (i.e. away-side jet missing), sprayed off the evaporating BHs isentropically into all directions or the thermalization of the multiple overlapping Hawking-radiation in a eckler-Kapusta-Plasma. Microcanonical quantum statistical calculations of the Hawking evaporation process for these LXD-BHs show that cold black hole remnants (BHRs) of Mass sim M_f remain leftover as the ashes of these spectacular Di-Jet-suppressed events. Strong Di-Jet suppression is also expected with Heavy Ion beams at the LHC, due to Quark-Gluon-Plasma induced jet attenuation at medium to low jet energies, p_t < 200 GeV. The (Mono-)Jets in these events can be used to trigger for Tsunami-emission of secondary compressed QCD-matter at well defined Mach-angles, both at the trigger side and at the awayside (missing) jet. The Machshock-angles allow for a direct measurement of both the equation of state EoS and the speed of sound c_s via supersonic bang in the "big bang" matter. We discuss the importance of the underlying strong collective flow - the gluon storm - of the QCD- matter for the formation and evolution of these Machshock cones. We predict a significant deformation of Mach shocks from the gluon storm in central Au+Au collisions at RHIC and LHC energies, as compared to the case of weakly coupled jets propagating through a static medium. A possible complete stopping of pt > 50 GeV jets at the LHC in 2-3 fm yields nonlinear high density Mach shocks in he quark gluon plasma, which can be studied in the complex emission and disintegration pattern of the possibly supercooled matter. We report on first full 3-dimensional fluid dynamical studies of the strong effects of a first order phase transition on the evolution and the Tsunami-like Mach shock emission of the QCD matter.
The rapidity dependence of the single- and double- neutron to proton ratios of nucleon emission from isospin-asymmetric but mass-symmetric reactions Zr+Ru and Ru+Zr at energy range 100 ~ 800 A MeV and impact parameter range 0 ~ 8 fm is investigated. The reaction system with isospin-asymmetry and mass-symmetry has the advantage of simultaneously showing up the dependence on the symmetry energy and the degree of the isospin equilibrium. We find that the beam energy- and the impact parameter dependence of the slope parameter of the double neutron to proton ratio (F_D) as function of rapidity are quite sensitive to the density dependence of symmetry energy, especially at energies E_b ~ 400 A MeV and reduced impact parameters around 0.5. Here the symmetry energy effect on the F_D is enhanced, as compared to the single neutron to proton ratio. The degree of the equilibrium with respect to isospin (isospin mixing) in terms of the F_D is addressed and its dependence on the symmetry energy is also discussed.
We investigate the onset of multifragmentation employing an improved version of the N-body ‘‘quantum’’ molecular-dynamics approach. We study in detail the reaction 18O+197Au at 84 MeV/nucleon and find good agreement between the calculated results and the data for the double-differential proton cross section, the mass yield, the multiplicity, the kinetic energy of the fragments, and even for the kinematic correlations between intermediate mass fragments (IMF’s), which have been measured in this experiment for the first time. We observe a strong correlation between the impact parameter and both the size of the target remnant as well as the average proton multiplicity. Hence both observables can be used to determine the impact parameter experimentally. The IMF’s come from the most central collisions. The calculations confirm the experimental result that they are not emitted from an equilibrated system. Although the inclusive energy spectra look thermal, we cannot identify an impact parameter-independent isotropically emitting source. Even in central collisions global equilibrium is not observed. We find that multifragment emission at this bombarding energy is caused by a process very similar to that proposed in the macroscopic cold multifragmentation model. Thus it has a different origin than at beam energies around 1 GeV/nucleon, although the mass yield has an almost identical slope.
We investigate the hydrodynamical flow of nuclear matter in a conical-shock-wave scenario of a central, asymmetric heavy-ion collision. This work is motivated by a suggestion of Chapline and Granik that the creation of a deconfined phase of quarks and gluons behind the shock will appreciably increase the deflection angle of the matter flow. We employ several hadron matter equations of state recently suggested to solve the conical-shock-wave problem and compare the results with a calculation using the bag equation of state. We find that large differences in the deflection angle obtained in the rest frame of the shock vanish in the laboratory system. However, a signature for the deconfinement transition may be the transverse momentum of the matter flow, which is up to a factor of 2 larger for the quark-gluon plasma. Thus, an excitation function of the mean transverse momentum would show an increase at a certain bombarding energy, signaling the onset of the deconfinement transition.
We study the transition from fusion-fission phenomena at about 20 MeV/nucleon multifragmentation at 100–200 MeV/nucleon in the reaction 16O+80Br employing the quantum molecular dynamics model. The time evolution of the density and mass distribution, the charged-particle multiplicity, and spectra as well as angular distributions of light particles are investigated. The results exhibit the transition of the disassembly mechanism, but no sharp change is found. The results are in good agreement with recently measured 4-Pi data.
Inclusive neutron spectra were measured at 0°, 4°, 8°, 15°, 30°, and 42° from Nb-Nb and Au-Au collisions at 800 MeV/nucleon. A peak that originates from neutron evaporation from the projectile appears in the spectra at angles out to 8°. The shapes and magnitudes of the spectra are compared with those calculated from models of nucleus-nucleus collisions. The differential cross sections for Au-Au collisions are about four times those for Nb-Nb collisions. The predictions of the Vlasov-Uehling-Uhlenbeck (VUU) and QMD theories agree with the angular distributions of the differential cross sections except at small angles; the VUU prediction overestimates the angular distributions from a few degrees to about 20°, whereas the QMD prediction underestimates the angular distributions below 8°. The Firestreak model overestimates the angular distribution for Nb-Nb collisions and underestimates it for Au-Au collisions. Also, the VUU and QMD models agree with the measured double-differential cross sections in more angular and energy regions than the Firestreak and intranuclear cascade models; however, none of the models can account for the peaks at small angles (θ≤15°).
Within a relativistic mean-field theory (RMFT) experimental data on the single-particle spectra of lambda hypernuclei are well reproduced. It is shown that the coupling constants cannot be fixed unambiguously from the single-particle spectra. The stability and structure of multi-lambda hypernuclei is explored on the basis of the RMFT using the coupling constants as determined from the observed single lambda hypernuclear levels. It is predicted that multistrange nuclei exhibit an enhanced interaction radius, which further increases in the case of finite temperatures. We suggest that multi-lambda hypernuclei could be produced in high-energy heavy ions and observed in secondary noncharge-changing reactions. The equation of state of lambda matter and the possibility of pure lambda droplets are also discussed.
Shock discontinuities around the confinement-deconfinement transition in baryon-rich dense matter
(1989)
Nuclear transport models are important tools for interpretation of many heavy-ion experiments and are essential in efforts to probe the nuclear equation of state. In order to fulfill these roles, the model predictions should at least agree with observed single-particle-inclusive momentum spectra; however, this agreement has recently been questioned. The present work compares the Vlasov-Uehling-Uhlenbeck model to data for mass-symmetric systems ranging from 12C+12C to 139La+139La, and we find good agreement within experimental uncertainties at 0.4A and 0.8A GeV. For currently available data, these uncertainties are too large to permit effective nucleon-nucleon scattering cross sections in the nuclear medium to be extracted at a useful level of precision.
Nuclear transport models including density- and momentum-dependent mean-field effects are compared to intranuclear-cascade models and tested on recent data on inclusive p-like cross sections for 800A-MeV La+La. We find a remarkable agreement between most model calculations but a systematic disagreement with the measured yield at 20°, possibly indicating a need for modification of nuclear transport properties at high densities.
The quantum molecular dynamic method is used to study multifragmentation and fragment flow and their dependence on in-medium cross sections, momentum dependent interactions, and the nuclear equation of state, for collisions of 197Au+197Au and 93Nb+93Nb in the bombarding energy regime from 100 to 800A MeV. Time and impact parameter dependence of the fragment formation and their implications for the conjectured liquid-vapor phase transition are investigated. We find that the inclusive fragment mass distribution is independent of the equation of state and exhibits a power-law behavior Y(A)∼A-τ with an exponent τ≊-2.3. True multifragmentation events are found in central collisions for energies Elab∼30–200 MeV/nucleon. The associated light fragment (d,t,α) to proton ratios increase with the multiplicity of charged particles and decrease with energy, in agreement with recent experiments. The calculated absolute charged particle multiplicities, the multiplicities of intermediate mass (A>4) fragments, and their respective rapidity distributions do compare well with recent 4π data, but are quite insensitive to the equation of state. On the other hand, these quantities depend sensitively on the nucleon-nucleon scattering cross section, and can be used to determine σ experimentally. The transverse momentum flow of the complex fragments increases with the stiffness of the equation of state. Reduced (in-medium) n-n scattering cross sections reduce the fragment flow. Momentum dependent interactions increase the fragment flow. It is shown that the measured fragment flow at 200A MeV can be reproduced in the model. We find that also the increase of the px/A values with the fragment mass is in agreement with experiments. The calculated fragment flow is too small as compared to the plastic ball data, if a soft equation of state with in-medium corrections (momentum dependent interactions plus reduced cross sections) is employed. An alternative, most intriguing resolution of the puzzle about the stiffness of the equation of state could be an increase of the scattering cross sections due to precritical scattering in the vicinity of a phase transition.
The statistical model is used to illustrate the consequences of a successive binary decay mechanism as the initial nuclear excitation is pushed towards the limits of stability. The partition of the excitation energy between light and heavy fragments is explicitly calculated, as are the consequences of the decay of the primary light fragments to particle-bound residual nuclei which would be observed experimentally. The test nucleus 100 44 Ru is considered at initial excitations of 100, 200, 400, and 800 MeV. Exit channels of n, p, and α; and 100 clusters of 3 ≤ Z ≤ 20 ≤ 4, 6 ≤ A ≤ 48 are considered from all nuclides in the deexcitation cascade. The total primary and final cluster yields are shown versus Z and initial excitation. The primary versus final yields are also shown individually for 12C, 26Mg, and 48Ca. We show how multifragmentation yields will change with the excitation energy due to a successive binary decay mechanism. Measurements that may be prone to misinterpretation are discussed, as are those that should be representative of initial nucleus excitation.
Distillation and survival of strange quark matter droplets in ultrarelativistic heavy ion collisions
(1991)
Recently it has been suggested that rather cold droplets of absolutely stable or metastable strange-quark matter may be distilled in heavy-ion collisions during the phase transition from a baryon-rich quark-gluon plasma (QGP) to hadron matter. Here we present a model describing the hadronization of the QGP through particle emission, which is based solely on thermodynamical arguments. Pions and K+’s and K0’s carry away entropy and antistrangeness from the system, thus facilitating the cooling process and the strangelet formation. Our results are supported by revised more sophisticated rate calculations. Two rather unexpected results are obtained when this model is applied to the investigation of strangelet production. The strangeness separation mechanism and the formation process works well even for higher initial entropies per baryon, tantamount to higher bombarding energies. The surviving strangelets have a rather high strangeness content, fs∼1.2–2 [i.e., Z/A∼(-0.1)–(-0.5)]. Hence droplets of strange-quark matter with a baryon number of ∼10–30 and with a negative charge may be produced. They may serve as a unique signature for the transient formation of a quark-gluon plasma in heavy-ion collisions.
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.
We present a new type of flow analysis, based on a particle-pair correlation function, in which there is no need for an event-by-event determination of the reaction plane. Consequently, the need to correct for dispersion in an estimated reaction plane does not arise. Our method also offers the option to avoid any influence from particle misidentification. Using this method, streamer chamber data for collisions of Ar+KCl and Ar+BaI2 at 1.2 GeV/nucleon are compared with predictions of a nuclear transport model.
A quasiclassical Pauli potential is used to simulate the Fermi motion of nucleons in a molecular dynamical simulation of heavy ion collisions. The thermostatic properties of a Fermi gas with and without interactions are presented. The inclusion of this Pauli potential into the quantum molecular dynamics (QMD) approach yields a model with well defined fermionic ground states, which is therefore also able to give the excitation energies of the emitted fragments. The deexcitation mechanisms (particle evaporation and multifragmentation) of the new model are investigated. The dynamics of the QMD with Pauli potential is tested by a wide range of comparisons of calculated and experimental double-differential cross sections for inclusive p-induced reactions at incident energies of 80 to 160 MeV. Results at 256 and 800 MeV incident proton energy are presented as predictions for completed experiments which are as yet unpublished.
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.
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.
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%.
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.
Strong correlations between baryon stopping in the projectile rapidity hemisphere and target excitation have been found in the light-ion-induced reactions at the BNL Alternating Gradient Synchrotron (AGS) (E814 group). Results in the framework of the relativistic molecular dynamics approach (RQMD) describe recent E814 data quite well. We discuss the RQMD results together with proton and pion data from the E802 group near midrapidity. They have raised the question of whether partial transparency could be seen in these experiments. The RQMD results indicate strong transverse baryon flow in central Si+Au collisions after the projectile has been stopped in the target.
We present a calculation of antiproton yields in Si+Al and Si+Au collisions at 14.5A GeV in the framework of the relativistic quantum molecular dynamics approach (RQMD). Multistep processes lead to the formation of high-mass flux tubes. Their decay dominates the initial antibaryon yield. However, the subsequent annihilation in the surrounding baryon-rich matter suppresses the antiproton yield considerably: Two-thirds of all antibaryons are annihilated even for the light Si+Al system. Comparisons with preliminary data of the E802 experiment support this analysis.
Accurate impact parameter determination in a heavy-ion collision is crucial for almost all further analysis. We investigate the capabilities of an artificial neural network in that respect. First results show that the neural network is capable of improving the accuracy of the impact parameter determination based on observables such as the flow angle, the average directed inplane transverse momentum and the difference between transverse and longitudinal momenta. However, further investigations are necessary to discover the full potential of the neural network approach.
Azimuthal correlations of pions are studied with the quantum molecular dynamics model. Pions are preferentially emitted perpendicular to the reaction plane. Our analysis shows that this anisotropy is dominated by pion absorption on the spectator matter in the reaction plane. Pions emitted perpendicular to the reaction plane undergo less rescattering than those emitted in the reaction plane and might therefore be more sensitive to the early hot and dense reaction phase.
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.
If density isomers exist they can be detected by measuring the excitation function of subthreshold kaon production. When the system reaches the density where the density isomer has influence on the equation of state (which depends on the beam energy and on the optical potential), we observe a jump in the cross section of the kaons whereas other observables change little. Above threshold Λ¯’s or p¯’s may be used to continue the search. This is the result of microscopic Boltzman-Uehling-Uhlenbeck calculations.
This thesis presents a model for the dynamical description of deconfined quark matter created in ultra-relativistic heavy ion collisions, treating quarks and antiquarks as classical point particles subject to a colour-dependent, Cornell-type potential interaction. The model provides a dynamical handle for hadronization via the recombination of quarks and antiquarks in colour neutral clusters. Gluons are not included explicitly in the model,but are described in an effective manner by the means of the potential interaction. The model includes four different quark flavours (up, down, strange and charm) and uses current masses for the quarks. The dynamical evolution of a system of colour charges subject to the Hamiltonian equations of motion of the model yields the formation of colour neutral clusters of quarks and antiquarks, which are subject only to a small remaining interaction, the strong interquark potential notwithstanding. These clusters can be mapped onto hadrons and hadronic resonances. Thus, the model allows a dynamical description of quarks degrees of freedom in heavy ion collisions, including a recombination scheme for hadronization. The thermal properties of the model turn pout to be very satisfying. The model shows a transition from a confining phase to a deconfined phase with rising temperature, going hand in hand with a softest point in the equation of state and a rise of energy density and pressure to the Stefan-Boltzmann limit of a gas of quarks and antiquarks. Moreover, the potential interaction is screened in the deconfined phase. For the dynamical description of ultra-relativistic heavy ion collision, the qMD model is coupled to UrQMD as a generator for its initial conditions. In this way, a fully dynamical description of the expansion and hadronization of the fireball created in such collisions can be achieved. Non-equilibrium aspects of the expansion dynamics and hadronization by recombination of quarks and antiquarks are discussed in detail, and a comparison with experimental data of collisions at the CERN-SPS is presented. The big advantage of the qMD model is the possibility to study cluster formation, including exotic clusters, and fluctuations in a dynamical manner. As an example, event-by-event fluctuations in electric charge are studied. Such fluctuations have been proposed as a clear criterion to distinguish a deconfined system from a hadrons gas. However, experimental data show hadron gas fluctuation measures even at RHIC, where deconfinement is taken for granted. We will see how the dynamics of quark recombination washes out the quark-gluon plasma signal in the fluctuation criterion. Moreover, we will discuss briefly the problem of entropy at recombination. In a second application, the formation of exotic hadronic clusters, larger than usual mesons and baryons, is studied. Such clusters could provide new measures for the thermalization and homogenization of a deconfined gas of colour charges. Moreover, number estimates for exotic clusters from recombination are considerably lower than corresponding predictions from thermal models, providing a clear difference between statistical hadronization and hadronization via quark recombination. A detailed analysis is provided for pentaquark candidates such as the Theta-Plus. It turns out that the distribution of exotic states over strangeness, isospin, and spin could provide a sensitive measure for thermalization and decorrelation in the deconfined quark phase, if it could be measured.
We demonstrate the occurrence of canonical suppression associated with the conservation of an U(1)-charge in current transport models. For this study a pion gas is simulated within two different transport approaches by incorporating inelastic and volume-limited collisions pi pi leftrightarrow K bar-K for the production of kaon pairs. Both descriptions can dynamically account for the suppression in the yields of rare strange particles in a limited box, being in full accordance with a canonical statistical description.
The transverse momentum dependence of the anisotropic flow v_2 for pi, K, nucleon, Lambda, Xi and Omega is studied for Au+Au collisions at sqrt s_NN = 200 GeV within two independent string-hadron transport approaches (RQMD and UrQMD). Although both models reach only 60% of the absolute magnitude of the measured v_2, they both predict the particle type dependence of v_2, as observed by the RHIC experiments: v_2 exhibits a hadron-mass hierarchy (HMH) in the low p_T region and a number-of-constituent-quark (NCQ) dependence in the intermediate p_T region. The failure of the hadronic models to reproduce the absolute magnitude of the observed v_2 indicates that transport calculations of heavy ion collisions at RHIC must incorporate interactions among quarks and gluons in the early, hot and dense phase. The presence of an NCQ scaling in the string-hadron model results suggests that the particle-type dependencies observed in heavy-ion collisions at intermediate p_T are related to the hadronic cross sections in vacuum rather than to the hadronization process itself, as suggested by quark recombination models.
Several observables of unbound nucleons which are to some extent sensitive to the medium modifications of nucleon-nucleon elastic cross sections in neutron-rich intermediate energy heavy ion collisions are investigated. The splitting effect of neutron and proton effective masses on cross sections is discussed. It is found that the transverse flow as a function of rapidity, the Q_zz as a function of momentum, and the ratio of halfwidths of the transverse to that of longitudinal rapidity distribution R_t/l are very sensitive to the medium modifications of the cross sections. The transverse momentum distribution of correlation functions of two-nucleons does not yield information on the in-medium cross section.
Elliptic flow analysis at RHIC with the Lee-Yang Zeroes method in a relativistic transport approach
(2006)
The Lee-Yang zeroes method is applied to study elliptic flow (v_2) in Au+Au collisions at sqrt s =200 A GeV, with the UrQMD model. In this transport approach, the true event plane is known and both the nonflow effects and event-by-event v_2 fluctuations exist. Although the low resolutions prohibit the application of the method for most central and peripheral collisions, the integral and differential elliptic flow from the Lee-Yang zeroes method agrees with the exact v_2 values very well for semi-central collisions.
We propose to measure correlations of heavy-flavor hadrons to address the status of thermalization at the partonic stage of light quarks and gluons in high-energy nuclear collisions, shown on the example of azimuthal correlations of D-Dbar pairs. We show that hadronic interactions at the late stage can not disturb these correlations significantly. Thus, a decrease or the complete absence of these initial correlations indicates frequent interactions of heavy-flavor quarks in the partonic stage. Therefore, early thermalization of light quarks is likely to be reached. PACS numbers: 25.75.-q
In this paper we derive a formula for the energy loss due to elastic N to N particle scattering in models with extra dimensions that are compactified on a radius R. In contrast to a previous derivation we also calculate additional terms that are suppressed by factors of frequency over compactification radius. In the limit of a large compactification radius R those terms vanish and the standard result for the non compactified case is recovered.
The pion source as seen through HBT correlations at RHIC energies is investigated within the UrQMD approach. We find that the calculated transverse momentum, centrality, and system size dependence of the Pratt-HBT radii R_L and R_S are reasonably well in line with experimental data. The predicted R_O values in central heavy ion collisions are larger as compared to experimental data. The corresponding quantity sqrt R_O^2-R_S^2 of the pion emission source is somewhat larger than experimental estimates.
Gravitational radiation from ultra high energy cosmic rays in models with large extra dimensions
(2006)
The effects of classical gravitational radiation in models with large extra dimensions are investigated for ultra high energy cosmic rays (CRs). The cross sections are implemented into a simulation package (SENECA) for high energy hadron induced CR air showers. We predict that gravitational radiation from quasi-elastic scattering could be observed at incident CR energies above 10^9 GeV for a setting with more than two extra dimensions. It is further shown that this gravitational energy loss can alter the energy reconstruction for CR energies E_CR > 5 10^9 GeV.
No black holes at IceCube
(2006)
This work is dedicated to the investigation of nuclear matter at non-zero temperatures within an effective hadronic model based on the Walecka model. It includes fermions as well as a vector omega meson and a scalar sigma meson where for the latter a quartic self-interaction has been considered. The coupling constants have been adapted to the saturation properties of infinite nuclear matter. A set of self-consistent Schwinger-Dyson equations has been set up for all included particles within the Cornwall-Jackiw-Tomboulis formalism. This has been expanded to non-zero temperatures via the imaginary time formalism. Beside tree-level two different stages of approximations have been considered: the Hartree approximation which takes into account the double-bubble diagram for the scalar meson, and an improved approximation where in addition two-particle irreducible sunset diagrams for all fields were included. In the Hartree-approximation the Schwinger-Dyson equations can be solved by quasi-particle ansaetze, while in the improved approximation spectral functions with non-zero widths have to be introduced. The Schwinger-Dyson equations are solved by the fully dressed propagators. Comparing the two levels of approximation shows the influence of finite widths on the temperature dependence of the particle properties. The consideration of finite widths in fact has a significant influence on the transition from a phase of heavy nucleons to a transition of light nucleons, observed in the Walecka-model. The temperature dependence is weakend when finte widths are taken into account.
Das HADES-Experiment (High Acceptance DiElectron Spectrometer) am SIS der GSI wurde zur Messung der e+e- - Paare dileptonischer Zerfälle der leichten Vektormesonen im Energiebereich von 1 - 2 AGeV entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Eigenschaften des Spurverfolgungssystems de HADES-Spektrometers untersucht. Das Spurverfolgungssystem besteht aus vier Ebenen mit Vieldrahtdriftkammern (Mini Drift Chambers (MDCs)) niedriger Massenbelegung (low-mass), die aus je 6 Auslesedrahtebenen bestehen. Eine der Hauptanforderungen an das Spurverfolgungssystem ist eine Ortsauflösung von 100 µm (hauptsächlich in y-Richtung), die benötigt wird, um die geforderte Massenauflösung von 1 % im Bereich der w-Masse zu erzielen. Gleichzeitig muss die Nachweiseffizienz für schwach ionisierende Elektronen/Positronen hoch sein. Die primäre Messgröße von Driftkammern ist die Driftzeit der entlang einer Teilchenspur generierten Elektronen der Primärionisation zum Auslesedraht. Um die gemessene Driftzeit in eine Ortskoordinate umrechnen zu können, ist eine genaue Kenntnis der Ort-Zeit-Korrelation der Driftzellen nötig. Es wurden detaillierte Simulationen der He/i - Butan Zählgasmischung mit GARFIELD, MAGBOLTZ und HEED vorgenommen. Dabei wurden Gastemperatur, Gasdruck, sowie die Kontamination des Zählgases mit O2 und H20 und die Konzentration des Löschgases variiert und die Auswirkung auf die Driftgeschwindigkeit der Elektronen und damit auf Ort-Zeit-Korrelation der Driftzellen studiert Des Weiteren wurden die Auswirkung der Höhe der Diskriminatorschwelle der Ausleseelektronik und der Einfluss des magnetischen Feldes auf die Driftzeitmessung untersucht. Ein zweidimensionales Modell der Driftzellen, das die Abhängigkeit der Ort-Zeit-Korrelation vom Einfallswinkel des Teilchens in die Driftzelle berücksichtigt, wurde in die Spurrekonstruktionssoftware integriert. Das realistische Ansprechverhalten der Driftkammern wurde in die GEANT-Simulation des HADES-Experimentes implementiert. In der vorliegenden Arbeit wird das Ansprechverhalten der inneren Driftkammern anhand von C + C Daten analysiert, die bei einer Einschussenergie von 2 AGeV im November 2001 gemessen wurden. Es wurde eine neue Methode entwickelt, die aus der Breite des am Auslesedraht influenzierten Signals (time above threshold) eine dem Energieverlust eines Teilchens korrelierte Größe bestimmt, die sich zur Identifikation von Teilchen eignet. Die vorgestellte Methode der Energieverlustmessung besitzt eine Auflösung von etwa 10 % für minimal ionisierende Teilchen und etwa 7, 2 % für stark ionisierenden Teilchen. Die Ortsauflösung der Driftzellen betrug 128 - 154 µm für minimal ionisierende Teilchen und 84 - 116µm für stark ionisierende Teilchen. Für minimal ionisierende Teilchen wurde die Ortsauflösung der Driftkammern in x- und y-Richtung zu x = 181 - 195µm und y = 87 - 104 µm bestimmt. Für stark ionisierende Teilchen wird eine Ortsauflösung von x = 119 - 148 µm und y = 57 - 79 µm erreicht. Eine Teilchenspur wird redundant in den 6 Drahtebenen einer Driftkammer nachgewiesen. Die Nachweiseffizienz der Drahtebenen einer Driftkammer lag für minimal ionisierende Teilchen bei 90 - 96 % und für stark ionisierende Teilchen bei 94 - 98 %. Es konnte somit gezeigt werden, dass die Driftkammern des HADES-Experiment über die geforderte Ortsauflösung und Nachweiseffizienz für e+|e- verfügen und aufgrund der Messung des Energieverlustes in den Driftkammern zur Teilchenidentifikation und Reduktion des Untergrundes beitragen können.
We introduce a smooth mapping of some discrete space-time symmetries into quasi-continuous ones. Such transformations are related with q-deformations of the dilations of the Euclidean space and with the non-commutative space. We work out two examples of Hamiltonian invariance under such symmetries. The Schrodinger equation for a free particle is investigated in such a non-commutative plane and a connection with anyonic statistics is found. PACS: 03.65.Fd, 11.30.Er