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Determination of field strength and quality factor of heavily HOM damped accelerator cavities
(1992)
Two methods of of measuring field strength in accelerator cavities, heavily damped with respect to higher order modes (HOM), are presented. From the results of the field measurements the coupling (damping) factor and thus the quality factor of the damped resonator can be derived. Measurements of a pillbox resonator with heavily damped TM110-mode (Q < 20) demonstrate the usefulness of the techniques presented, even in this extreme range.
Die vorliegende Arbeit befallt sich im theoretischen Teil mit den Grundlagen zu Strahl-Resonator-Wechselwirkungen bei Beschleunigerresonatoren und mit den sich daraus ergebenden Konsequenzen bei der Resonatorentwicklung für zukünftige lineare Kollider mit Multibunch-Betrieb. Zur Bekämpfung der vor allem im Multibunchbetrieb störenden Long-Range-Wakefelder müssen die schädlichen Moden möglichst so stark bedämpft werden, daß ihre Felder bis zum Eintreffen des nächsten Bunches auf ein erträgliches Maß abgeklungen sind. Im experimentellen Teil befaßt sich diese Arbeit daher mit der Entwicklung von Meßmethoden zur Bestimmung sehr kleiner Resonatorgüten sowie sehr kleiner transversaler Shuntimpedanzen bzw. sehr kleiner Feldpegel in stark störmodenbedämpften Beschleunigerresonatoren. Diese Meßmethoden sind an mehreren S-Band-Modellresonatoren (Betriebsfrequenz lag bei etwa 2.4 GHz) mit verschiedenen Dämpfungssystemen, die für den Einbau in einen normalleitenden Linearbeschleuniger für einen Kollider geeignet wären, erfolgreich getestet worden. Die Feldmessungen an den Modellresonatoren haben bisher unbekannte Gesetzmäßigkeiten bezüglich des Verhaltens dieser Dämpfungssysteme ergeben. In einer kurzen Beschreibung und Diskussion der sechs wichtigsten Vorschläge für zukünftige lineare Kollider wurde ein Überblick über die Unterschiede bei diesen verschiedenen Konzepten gegeben. Zunächst konnten über eine qualitative Diskussion der beim Linearbeschleuniger vom Iristyp vorkommenden Beam Blowup Phänomene, wie der regenerative BBU und der cumulative BBU, die Erscheinungsformen und die physikalischen Ursachen dieser BBU Phänomene verstanden werden. Hier zeigt sich, daß bei Irisstrukturen die HEM11-Moden die Hauptursache sowohl für den regenerativen- als auch für den cumulativen BBU sind. Der dritte Abschnitt führte in eine allgemeine Methode zur quantitativen Beschreibung der sogenannten Strahl-Resonator-Wechselwirkung ein. Diese Methode heißt Condon- Methode und erlaubt die Berechnung von BBU verursachenden Wakefeldern über eine Eigenwellenentwicklung aus den Eigenmoden des leeren Rersonators. Im vierten Abschnitt wurde durch die Herleitung des Theorems von Panofsky-Wenzel die Theorie der Strahl-Resonator-Wechselwirkung vervollständigt, wonach der einer Testladung während der Durchquerung eines felderfüllten Resonators mitgeteilte Transversalimpuls vollständig durch die räumliche Verteilung der elektrischen Longitudinalkomponente allein bestimmt ist. Damit erhält man also eine Aussage über die Wirkung der in Beschleunigerresonatoren feldanfachenden vorauslaufenden Ladungen auf die nachfolgenden. Dabei konnte auch die Frage geklärt werden, welche Moden zylindrischer Symmetrie wegen ihrer transversal ablenkenden Wirkung für den Teilchenstrahl gefährlich sind. Hier zeigt sich, daß alle BBU verursachenden Moden TM2np- bzw. TM2np-Moden sind, d.h., die Moden mit dipol- bzw. quadrupolartiger Symmetrie. Die Anwendung der in den Abschnitten drei und vier entwickelten Theorie zur Strahl-Resonator-Wechselwirkung konnte im Abschnitt fünf anhand dreier, für die Beschleunigerphysik sehr interessanter Beispiele gezeigt werden. Im ersten Beispiel gelang die Beschreibung der Wechselwirkung eines in Längsrichtung homogenen Strahls, welcher transversal Betatranschwingungen vollführt, mit der TM110-Mode eines Zylinderresonators. Dieses Beispiel ist von praktischer Bedeutung bei Linearbeschleunigern. die bei hohem Duty Cycle betrieben werden, also z.B. beim RACE TRACK Mikrotron oder bei supraleitenden Linacs. Beim zweiten Beispiel hat die Anwendung der Theorie auf eine Irisstruktur zu Formeln geführt, die sich Fair eine numerische Berechnung des Startstroms zum regenerativen BBU eignen, was jedoch relativ aufwendig ist. Es konnte aber auch eine einfache Abschätzungsformel für den Startstrom durch die Anwendung des Poyntingschen Satzes auf eine differentielle Länge des der Irisstruktur entsprechenden Wellenleiters abgeleitet werden. Aus der Bedingung, daß die durch den Strahl erzeugte Leistung pro Längeneinheit gleich den Leistungsverlusten pro Längeneinheit ist, findet man den Startstrom für den regenerativen BBU. Das letzte Beispiel, die Wechs 1 e Wirkung einer hochrelativistischen Punktladung mit einem beliebigen Resonator, ist auch das wichtigste. Hier wurden die Wakefelder aus einer simplen Energiebilanzbetrachtung abgeleitet, da eine Berechnung nach der Condon-Methode relativ aufwendig und langwierig wäre. Diese Vorgehensweise hat hier zu einem tieferen physikalischen Verständnis der Vorgänge im Resonator geführt. Die mit Hilfe einer Punktladung abgeleiteten Wakefelder sind Greensfunktionen. die zur quantitativen Beschreibung des cumulativen BBU’s bei linearen Kollidern benutzt werden können. Die Diskussion der anhand der Beispiele gewonnenen Ergebnisse am Ende des fiinften Abschnitts führte zu verschiedenen Maßnahmen zur Verringerung der schädlichen Strahl-Resonator-Wechselwirkung. Hier hat sich gezeigt, daß sowohl der regenerative BBU als auch der cumulative BBU u. a. durch eine Verringerung der Resonatorgüte der strahlstörenden Dipolmode verhindert werden können. Im sechsten Abschnitt erfolgte die noch ausstehende quantitative Beschreibung des cumulativen BBU mit Hilfe der im vorangehenden Abschnitt am dritten Beispiel gewonnenen Formeln für die Wakefelder. Die Berechnung der Strahlablage und Strahlrichtung geschieht hier über einen Matrizenformalismus, der aus der Idee heraus entstand, die Beschleunigersektionen des linearen Kolliders durch Resonatoren verschwindender Länge zu ersetzen. Uber den Matrizenformalismus konnte die durch den Einfluß von Beschleunigung, Fokussierung und Wakefeldern doch recht komplizierte Teilchenbewegung sehr elegant formuliert werden, jedoch eignet sich dieser Formalismus nur für numerische Zwecke. Abschätzungen sind in diesem allgemeinen Fall unmöglich. Durch die Einführung eines sehr restriktiven Modells, des sogenannten DAISY-CHAIN Modells, welches nur bei sehr stark bedämpften Beschleunigersektionen gültig ist. hat sich der Matrizenformalismus auf sehr einfache, der analytischen Berechnung zugängliche Gleichungen reduzieren lassen. Die Bedämpfung der Beschleunigersektionen muß dabei so stark sein, daß eine Ladung innerhalb einer ganzen Kette äquidistanter Ladungen nur ein signifikantes Wakefeld der unmittelbar vorrauslaufenden Ladung erfährt. Wie stark im Einzelfall bedämpft werden muß, um einen stabilen Transport einer Kette von Teilchenpaketen zu ermöglichen, konnte anhand zweier, in der Betriebsfrequenz unterschiedlicher Konzepte für normalleitende Linearbeschleuniger zukünftiger Kollider gezeigt werden. Dabei wurde deutlich, daß man bei ausschließlicher Anwendung von in Bezug auf die HEM11-pi-Mode stark bedämpften Beschleunigerstrukturen zur Kontrolle des cumulativen BBU bei einer hohen Betriebsfrequenz, z.B. im X-Band (11.45 GHz), sehr unbequem niedrige Gütewerte von ca. Q=5 erreichen muß. Das ist, wie sich im praktischen Teil der vorliegenden Arbeit gezeigt hat, vom technischen Aufwand her gesehen sehr schwierig. Für einen X-Band-Kollider wird man also eine Kombination von Maßnahmen zur Kontrolle des cumulativen BBU’s bevorzugen, z.B. neben dem Bedämpfen auch das sogenannte “Detunen” der Beschleunigersektionen. Bei einem Linearbeschleuniger im S-Band (Betriebsfrequenz bei 3 GHz) befindet man sich von vornherein bei ausschließlicher Verwendung gedämpfter Strukturen in bequemeren Gütebereichen Q ungefähr gleich 20-50, was ohne weiteres praktikabel ist. Aber auch hier kann man durch Zusatzmaßnahmen die Anforderungen an die Resonatordämpfung weiter reduzieren. Als erste Methode zur Bestimmung der Güte eines störmodenbedämpften Beschleunigerresonators wurde die Chipman-Methode angewendet. Meßobjekt war hier das dreizellige Modell einer Irisstruktur mit Halbzellenabschluß. Zur Auskopplung der dominanten Störmode, der sogenannten HEM11-Mode, war die mittlere Irisblende einseitig geschlitzt. Bei diesem Modell lag die Frequenz der als Beschleunigermode vorgesehenen TM010-2pi/3-Mode etwa bei 2.35 GHz und die Frequenz der dominanten Störmode, der HEM11-pi-Mode, lag bei etwa 2.81 GHz. Die mittlere geschlitzte Irisblende war austauschbar, so daß eine Messung der durch das Dämpfungssystem belasteten Güte QL bzw. des Koppelfaktors K in Abhängigkeit von der Schlitzhöhe möglich war. Die Messungen ließen sich bei diesem Koppelsystem ohne Schwierigkeiten durchrühren, bei der größten möglichen Schlitzhöhe von 10 mm wurde auch der größte Koppelfaktor mit 46 gemessen. Bei einer vom Dämpfungssystem unbelasteten Güte von Q0=4500 korrespondiert ein Koppelfaktor von K=46 mit einer durch das Dämpfungssystem belasteten Güte von QL = 100. Ein Mangel wurde bei der Anwendung der Chipman-Methode sofort sichtbar: Durch die Anregung der HEM11-pi-Mode von der Meßleitung aus sind im Koppelsystem offenbar Störmoden angeregt worden. Liegen diese Störmoden nahe bei der zu messenden Resonanz, dann ist eine präzise Bestimmung des Koppelfaktors unmöglich. Glücklicherweise war das hier nicht der Fall. Die Messungen mit der einseitig geschlitzten Irisblende haben gezeigt, daß dieses Dämpfungssystem Anwendung finden könnte bei Beschleunigerstrukturen im S-Band. wie sie z.B beim DESY/THD-Kollider vorgeschlagen wurden. Natürlich kann bei den hier erreichten Koppelfaktoren nicht die Dämpfung der schädlichen HEM11-pi- Mode die alleinige Maßnahme sein, die einseitig geschlitzte Irisblende könnte nur zusammen mit dem Detunen angewendet werden. Da die einseitig geschlitzte Irisblende auch eine Feldasymmetrie bei der Beschleunigermode erzeugt, müssen die Dämpfer entlang einer Beschleunigersektion alternierend angebracht werden, d.h. jeder Dämpfer ist im Bezug zum nächsten Nachbardämpfer um 90° gedreht. Die 90° ergeben sich aus der Notwendigkeit, auch die Dämpfung der zweit en Polarisationsebene der HEM11-pi-Mode zu gewährleisten. Als zweite, der Chipman-Methode sehr ähnliche Methode, wurde die Kurzschlußschiebermethode angewendet. Erstes Untersuchungsobjekt war die bei der Chipman- Methode bereits erwähnte dreizeilige Irisstruktur. Ein Vorteil im Vergleich zur Chipman-Methode ist vor allem die schnelle Durchführbarkeit der Messung bei wenig experimentellem Aufwand, wenn auch die Kurzschlußschiebermethode weniger präzise ist, und man auf einige Informationen, wie z.B. der Verlauf des Reflexionsfaktors und dessen Phase, verzichten muß. Im Vergleich mit der Chipman-Methode waren die mit der Kurzschlußschiebermethode gemessenen Koppelfaktoren immer um etwa 10-15% höher. Das liegt vor allem daran, daß die Theorie zur Kurzschlußschiebermethode von einem verlustfreien Resonator-Hohlleitersystem ausgeht, so daß die nach dieser Theorie ermitteten Koppelfaktoren prinzipiell zu groß sind. Auch bei dieser Methode hat sich gezeigt, daß eine Auswertung der Meßergebnisse scheitern muß, falls ein Modenüberlapp auftritt. Bei Experimenten mit komplizierteren Dämpfungssystemen, bestehend aus mehr als vier Hohlleitern an Resonatoren mit mehr als zwei Zellen ist deutlich geworden, daß eine Bestimmung des Koppelfaktors über die Kurzschlußschiebermethode durch die entstehende Modenvielfalt praktisch unmöglich ist. Es stellte sich heraus, daß bei der Auswertung der Meßergebnisse dadurch ein Fehler entsteht, wenigstens bei sehr starker Dämpfung, daß man die Feldverteilung als konstant animmt, denn bei dem Vergleich der unbelasteten Güte Q0 mit der vom Dämpfungssystem belasteten Güte QL geht man davon aus, daß die Feldverteilungen im ungedämpften- und gedämpften Fall identisch sind. Das kann bei Koppelfaktoren im Bereich von einigen zehn bis zu einigen hundert nicht mehr zutreffen, da das Feld der Mode immer stärker in das Dämpfungssystem eindringt, je stärker die Kopplung ist. Das ändert die Modengeometrie natürlich in dramatischer Weise und die belastete Güte QL kann dann nicht mehr einfach über die Gleichung QL=Q0/(1+ K) aus den gemessenen Größen Q, und K ausgerechnet werden, da der Koppelfaktor K nun nicht mehr konstant sein kann, sondern im Gegenteil sich sehr stark ändert, je nachdem an welcher Stelle die Felder gemessen werden. Ein weiterer Mangel bei beiden Methoden ist, daß über diese Methoden weder die longitudinale noch die transversale Shuntimpedanz bestimmt werden kann. Ein Ausweg aus diesem Dilemma war die Anwendung zweier neuer Meßmethoden, die Antennenmethode und die nichtresonante Störkörpermethode. Diese beiden Methoden beruhen im Gegensatz zu den ersten beiden Methoden auf einer direkten Bestimmung der Feldpegel bzw. der transversalen Shuntimpedanz im bedämpften Resonator was den Vorteil hat, daß im Resonator genau das Feld bzw. die Shuntimpedanz vermessen wird, welches die Teilchen bei der Durchquerung des Resonators auch tatsächlich sehen. Die Antennenmethode war eine komplette Neuentwicklung, während es sich bei der nichtresonante Störkörpermethode um die Anwendung einer seit 1966 bekannten, jedoch in Vergessenheit geratenen Theorie handelte. Beide Meßmethoden konnten am Beispiel eines im Bezug auf die TM110-Mode (Frequenz bei ca. 3.2 GHz) sehr stark bedämpften Zylinderresonators (Die Frequenz der TM010-Mode lag bei ca. 2.049 GHz) erfolgreich getestet werden. Die durch das Dämpfungssystem belastete Güte QL war hier ca. 10. Bei der Bestimmung der longitudinalen elektrischen Feldstärken bzw. der longitudinalen Shuntimpedanz der TM110-Mode in Abhängigkeit vom axialen Abstand vor und nach der Bedämpfung konnten zunächst folgende Feststellungen gemacht werden: 1) Die Modengeometrie im ungedämpften- und gedämpften Fall unterscheiden sich sehr stark voneinander. Dadurch mißt man verschiedene Koppelfaktoren, je nachdem an welcher Stelle man die Felder mißt. 2) der maximal gemessene Koppelfaktor liefert über die Gleichung QL=Q0/(1+K) die richtige beklastete Güte QL. 3) Der höchste Koppelfaktor wurde bei der Feldmessung in einem Achsortabstand vom halben Radius des Zylinderresonators gemessen. Da die beiden Meßmethoden das Verhältnis der elektrischen Feldstärkequadrate in Abhängigkeit vom Meßort vor und nach der Bedämpfung liefern, konnte die zweite Feststellung nur durch eine Kontrollmessung mit Hilfe der Kurzschlußschiebermethode, die hier dank des einfachen Aufbaus leicht durchfiihrbar war, gemacht werden. Die Kurzschlußschiebermessung lieferte eine Güte QL ungefähr gleich 9, während der höchste bzw. der niedrigste mit den beiden neuen Megmethoden ermittelte Koppelfaktor mit einer Güte von QL ungefähr gleich 11 bzw. mit einer Güte von QL ungefähr gleich 14 korrespondierte, d.h. also. daß der höchste gemessene Koppelfaktor für dieses Dämpfungssystem die richtige Resonatorgüte liefert. Anhand eines zweizeiligen Resonators (Die Frequenz der TM010-2pi/3-Beschleunigermode lag bei ca. 2.35 GHz) mit beidseitig geschlitzter Irisblende als Dämpfungssystem für die HEM11-pi-Mode (ca. 3.5 GHz) konnte gezeigt werden, daß die zweite Feststellung eine Gesetzmäßigkeit bei spiegelsymmetrischen Dämpfungssystemen ist. Im Unterschied zum Zylinderresonator wurde der höchste mit der richtigen bedämpften Güte QL ungefähr gleich 37 korrespondierend Koppelfaktor K ungefähr gleich 153 jedoch direkt auf der Resonatorachse gemessen. Die bedämpfte Güte wurde auch hier wieder mit Hilfe der Kurzschlußschiebermethode kontrolliert. Ein sehr interessantes Verhalten zeigte der gleiche zweizeilige Resonator mit einseitig geschlitzter Irisblende als Dämpfungssystem. Hier korrespondierte der in der Nähe der Resonatorwand gemessene niedrigste Koppelfaktor mit der bedämpften Güte QL ungefähr gleich 230 des Resonators. In Achsennähe hingegen war der Koppelfaktor etwa dreimal höher, K ungefähr gleich 82, als aus der der Güteerniedrigung K ungefähr gleich 35 nach der Dämpfung hervorgegangen wäre, die transversale Shuntimpedanz ist also auch etwa um den Faktor 3 erniedrigt. Durch dieses Verhalten ist der einseitig bedämpfte Resonator für die Verwendung bei einem linearen Kollider im S-Band (hier muß nicht so stark bedämpft werden) interessant geworden, denn wenn nur wenige Zellen einer Beschleunigersektion mit einem Dämpfungssystem ausgerüstet werden müssen, ist es wichtig in diesen Zellen ein effektives Dämpfungssystem bei Gewährleistung eines einwandfreien Transports der Feldenergie der HEM11-pi-Mode in diese gedämpften zu haben. Das funktioniert einerseits nur, wenn sich die Resonanzfrequenz der gedämpften Zellen in Bezug auf die HEM11-pi-Mode auf die Resonanzfrequenz der benachbarten ungedämpften Zellen einstellen läßt und andererseits die mit einer Dämpfung einhergehende schlechtere Anregungsfähigkeit dieser Störmode in den gedämpften Zellen nicht zu schlecht ist. Bei einer zu starken Dämpfung wäre beides nicht möglich. Zusammenfassend kann man sagen, daß durch die Antennen- und die nichtresonante Störkörpermethode ein für die Entwicklung von störmodenbedämpften Beschleunigerresonatoren für zukünftige lineare Kollider und natürlich auch anderer Elektronenbeschleuniger sehr wirksames Instrument zur Verfügung steht. Ein detailliertes Design eines für einen bestimmten Beschleuniger passenden Dämpfungssystems ist mit Hilfe dieser Meßmethoden möglich geworden, da kleine Unterschiede zwischen verschiedenen Ausführungen von Dämpfungssystemen meßbar sind. Durch die bei der Anwendung der Meßmethoden auf unterschiedliche bedämpfte Resonatoren gefundenen Gesetzmäßigkeiten ist unter anderem auch die Frage geklärt worden, auf welche Weise ein Dämpfungssystem auch auf numerischem Wege mit Hilfe von Computerprogrammen wie z.B. MAFIA berechnet werden kann.
Mit zunehmender Automatisierung - sowohl der industriellen Herstellungsverfahren, als auch ihrer Produkte - hat die Regelungstechnik stark an Bedeutung gewonnen. Das Prinzip der Regelung jedoch ist schon lange bekannt. Erste Anwendungen finden sich bereits in der Antike (230 v.Chr. Philon von Byzanz, Schwimmerregelung für Öllampen). Das wohl prominenteste Beispiel ist der Drehzahlregler für Dampfmaschinen, den James Watt 1788 konstruierte. Eine Theorie des Regelkreises wurde dagegen erst Ende des letzten Jahrhunderts entwickelt. Damit war der Weg für den verbreiteten Einsatz von Regelungstechnik geebnet. Aber ihre Bedeutung geht über die rein technischen Prozesse hinaus, indem sich die Theorie der Regelkreise auch zur Untersuchung nichttechnischer zum Beispiel biologischer oder gesellschaftlicher Prozesse anwenden läßt. Viele dieser Prozesse laufen nach dem Prinzip der Regelung ab, denn sie werden auch bei Wirkung äußerer Störungen aufrechterhalten. In diesen Bereichen wird allgemeiner von Kybernetik gesprochen [Steinbuch]. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird eine Einführung in die Regelungstechnik gegeben. Daran schließen sich im zweiten Teil Untersuchungen zur Magnetschwebekugel an. Diese theoretischen Betrachtungen sollen als Grundlage für den Aufbau eines Experiments zur Magnetschwebekugel dienen, das im Rahmen des Physikalischen Praktikums für Fortgeschrittene des Instituts für Angewandte Physik an der Universität Frankfurt geplant ist. Anhand einer von einem Elektromagneten in der Schwebe gehaltenen Kugel werden sich die Teilnehmer und Teilnehmerinnen mit den Prinzipien der Regelungstechnik vertraut machen können. Dieser Versuch ist in zweierlei Hinsicht interessant. Das System Elektromagnet - Kugel ist ohne Regelung nicht stabil, das heißt die Kugel kann nicht an einem beliebigen Ort unterhalb des Magneten fixiert werden. Dies entspricht auch der Erfahrung. Um so erstaunlicher ist es, wenn der Versuch zu einer Stabilisierung führt. Die verwendeten Methoden entstammen vollständig der Theorie der linearen Regelungen, sodaß der Versuch als elementare Einführung in die Regelungstechnik verstanden werden kann.
In dieser Arbeit werden grundlegende Untersuchungen zur Ion-Festkörper Wechselwirkung vorgestellt, die zu Sekundärionen-Emissionsprozessen führen. Das Ziel ist hierbei, aus den Experimenten Informationen über den Ursprung, die Bindungsmechanismen und die Evolution der Sekundärionen (SI) zu erhalten und die experimentellen Daten mit Rechnungen eines kürzlich entwickelten Desorptions-Modells zu vergleichen. Die Untersuchungen sind in zwei Gebiete unterteilt, die 1.) den Einfluß von Projektil-Eigenschaften wie Energie, Masse und Ladung auf die SI-Emission und 2.) den Einfluß von Targeteigenschaften wie Temperatur und Material auf die SI-Emission zum Gegenstand haben. Die gemessenen H+- - und CxH+- y -SI entstammen einer Oberflächen-Kontaminationsschicht der untersuchten C- und LiF-Targets. Die untersuchten Li+-SI entstammen unmittelbar der LiF-Oberfläche. Zum Studium der SI-Emission werden hier H-, C-, N-, Ar-, Kr- und Sn-Projektile, im Bereich ihres maximalen elektronischen Bremsvermögens Se = (dE=dx)e, eingesetzt. Die von der Projektil-Eintrittsoberfläche emittierten SI werden in Koinzidenz mit jenen unter Hochvakuum-Bedingungen mit einem zylindrischen und einem neu konstruierten linearen Flugzeitspektrometer gemessen. Die Abhängigkeit der SI-Emission von der Projektilgeschwindigkeit (”Geschwindigkeitseffekt”) wird hervorragend durch ein kürzlich von Pereira und da Silveira [Per98a, Per00] entwickeltes Desorptions-Modell beschrieben und zeigt, daß leichte H+-SI einen anderen Emissionsort als schwere CxH+- y -SI entstammen. Diese Resultate werden durch Messungen, die den Einfluß des Projektilladungszustands auf die SI-Ausbeute betrachten, bestätigt. Eine ladungsabhäangige Modifikation des neuen Desorptions-Modells erlaubt zusätzlich, aus den gemessenen relativen SI-Ausbeuten, den Abstand des Emissionsortes von der Spurachse des Projektils zu bestimmen. Aus Untersuchungen zum Einfluß der Projektilmasse auf die SI-Emission folgt zudem eine Korrelation im Emissionsverhalten zwischen H+-SI der Kontaminationsschicht und Li+-SI der tatsächlichen Targetoberfläche. Der Grund hierfür liegt im gleichen Emissionsort dieser beiden unterschiedlichen SI, der von ihrer Bindungsenergie an der Targetoberfläche abhängt. Kontrollierte Variation der LiF- und Cu-Targettemperatur mit einem neu konstruiertem Targethalter zeigen, daß H+-SI im Bereich von 300K <= T <= 380K nahezu vollständig und unabhängig vom Targetmaterial aus der CxHy-Oberflächen-Kontaminationschicht emittiert werden. Durch die Anpassung von Langmuir-Isothermen an die gemessenen SI-Ausbeuten gelingt die Bestimmung der Bindungsenergien EB der CxH+ y -SI, die unmittelbar die LiF- bzw. Cu-Oberfläche bedecken. Das weist auf intermolekulare Bindungen zwischen den CxH+ y -SI und der Oberfläche hin. Die Resultate dieser Rechnung zeigen auch, daß die CxH+ y -SI aus unterschiedlichen Emissionsorten emittiert werden. Hohe Targettemperaturen (< 450K) führen überraschenderweise beim LiF-Target zusätzlich zu einer Metallisierung der Oberfläche, die sich bei weiterer Temperaturerhöhung als Phasenübergang des Targetmaterials auswirkt. Messungen an deuterierten und hydrogenierten Targets zeigen zudem, daß SI-Emission aus dem Targetvolumen nur beim Überschreiten einer hohen Emissionsschwelle Se(> 1700 +- 50eV=A° ) erfolgt.
Energiezustände in einem Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern
(2005)
In dieser Arbeit werden Energiezustände in einem GaAs/Al0:3Ga0:7As-Halbleiterübergitter in gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Dabei liegt das elektrische Feld F in Wachstumsrichtung an, während das Magnetfeld B senkrecht dazu in der Ebene der Schichten orientiert ist. Es werden die experimentellen Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie angewendet. Die experimentellen Ergebnisse werden sowohl mit theoretischen Berechnungen verglichen als auch mit zeitaufgelösten Daten in Bezug gesetzt. Sowohl in den Elektroreflexions- als auch in den Transmissionsspektren lassen sich je nach relativem Wert des elektrischen und magnetischen Feldes B=F = x drei verschiedene Bereiche unterscheiden. Für kleines x sind Wannier-Stark-Übergänge sichtbar, die sich mit steigendem B-Feld zu höheren Energien verschieben. Die auffälligste Beobachtung ist das Verschwinden der Wannier-Stark-Zustände mit steigendem Magnetfeld: Bei mittlerem x, wenn die magnetische Energie ~!C die Größenordnung der elektrischen Energie ~!B erreicht, beobachtet man einen nahezu strukturlosen Übergangsbereich. Für größere Magnetfeldstärken lassen sich wieder Übergänge identifizieren, die Landau-Charakter besitzen. Die Exzistenz eines strukturlosen Übergangsbereichs unterscheidet die Geometrie gekreuzter Felder wesentlich von der Konfiguration parallel gerichteter Felder (F- und B-Feld in Wachstumsrichtung [5]). Der Übergangsbereich wurde bereits zuvor beobachtet [65], eine Erklärung seines Ursprungs stand jedoch noch aus. Letztere gewinnen wir aus der Zusammenarbeit mit der Theorie: Auf der Grundlage der Modellrechnungen von S. Glutsch und S. Stepanow aus Jena lässt sich feststellen, dass jeder Wannier-Stark-Zustand in Anwesenheit eines Magnetfeldes in Landau-Zustände aufspaltet. Mit steigendem Magnetfeld verschieben sich diese, wie auch die Wannier-Stark-Zustände, zu höheren Energien, so dass sich eine wachsende Anzahl von Zuständen energetisch annähert. Die Wechselwirkung von Zuständen führt zu vermiedenen Überkreuzungen und damit zu einer Verteilung der Oszillatorstärke, so dass die Stärke jedes einzelnen Zustands abnimmt und einzelne Linien nicht mehr aufzulösen sind. Interessanterweise spielt die Verkürzung der Lebenszeit der involvierten Zustände (homogene Linienverbreiterung) eine untergeordnete Rolle bei der Entstehung des Übergangsbereichs. Auch hinsichtlich anderer Aspekte ist die Übereinstimmung von Theorie und Experiment zufriedenstellend: Die auf Grundlage der Einteilchen-Theorie vorhergesagte energetische Verschiebung der Wannier-Stark- und Landau-Niveaus mit steigendem Magnetfeld kann experimentell mittels Elektroreflexionsmessungen verifiziert werden. Die experimentellen Absorptionsspektren lassen sich direkt mit den theoretischen Absorptionsspektren vergleichen und zeigen die vorhergesagten Energieübergänge. Darüberhinaus sind Fano-Resonanzen als asymmmetrische Linienprofile zu beobachten. Das Zusammenspiel von Theorie und Experiment stellt sich demnach in dieser Arbeit als sehr fruchtbar heraus: Die vorgestellten Experimente leisten der Theorie einen Dienst, indem sie wesentliche theoretische Vorhersagen experimentell verifizieren. Andererseits gewinnt das Verständnis der experimentellen Beobachtungen erst durch theoretische Erkenntnisse sein Fundament. Während der Vergleich von Theorie und Experiment weitgehend abgeschlossen ist [21], wirft der Vergleich der spektral aufgelösten Daten mit zeitaufgelösten Messergebnissen noch ungelöste Fragen auf. Die Dynamik optisch angeregter Wellenpakete lässt sich analog zu den Elektroreflexions- und Absorptionsspektren in ein elektrisch-dominiertes Regime für kleines B=F = x und ein magnetisch-dominiertes Regime für großes x unterteilen. Die beiden Bereiche sind durch einen mittleren x-Wert separiert, bei dem keine kohärenten Oszillationen zu beobachten sind. Dieser Übergang findet entgegen der Erwartung nicht bei dem gleichen x-Wert statt wie in spektral aufgelösten Daten. In der vorliegenden Arbeit wird dieser Befund präzisiert: Absorptionsspektren werden mit TEOS-Spektren (englisch: transmittive electrooptic sampling), Elektroreflexionsdaten mit REOS-Spektren (englisch: reflective electro-optic sampling) verglichen. Sehr deutlich ist die Diskrepanz zu erkennen: In spektral aufgelösten Daten liegt der Übergangsbereich bei größeren x-Werten als in zeitaufgelösten Daten, so dass im spektralen Übergangsbereich wieder langlebige Oszillationen in den zeitaufgelösten Messungen zu beobachten sind. Umgekehrt sind in den spektral aufgelösten Messungen noch deutliche Strukturen erkennbar, wenn am dynamischen Übergang zwischen elektrisch- und magnetisch-dominiertem Regime Oszillationen ausbleiben. Die Experimente dieser Arbeit motivieren demnach die weitere Beschäftigung mit folgenden Problemen: Die Diskrepanz zwischen spektral- und zeitaufgelösten Daten hinsichtlich des Übergangsbereichs muss in Zukunft theoretisch behandelt werden. Es besteht bereits ein Angebot von M. M. Dignam, sich des Problems anzunehmen. Damit verbunden ist die Frage nach der genauen Bedingung für den Übergangsbereich in den spektralen Daten, da die bisherige Bedingung zu grob zu sein scheint. Die Untersuchung von Energiezuständen in Halbleiterübergittern wird auch in Zukunft eine Rolle spielen. Nachdem die Geometrien von parallel und senkrecht orientiertem B und F eingehend behandelt wurden, stellt nun der Fall arbiträrer Feldanordnung eine neue Aufgabe dar. Wenn das Magnetfeld mit dem elektrischen Feld einen arbiträren Winkel einschließt, wird in zeitaufgelösten Messungen eine Kopplung von Magneto-Bloch- und Zyklotron-Oszillationen beobachtet, die sich in einem kohärenten Quasi-DC-Strom und verstärkter Feldabschirmung ausdrückt [58]. Es wäre interessant zu untersuchen, mit welchen spektralen Eigenschaften diese dynamischen Befunde korrespondieren. Hierzu bieten sich die Methoden der Elektroreflexions- und Transmissionsspektroskopie an, die sich in dieser Arbeit als geeignet erwiesen haben.
Hf-Fokussierung
(1989)
Untersuchungen zu mikrowellenfokussierenden Beschleunigerstrukturen für zukünftige lineare Collider
(1993)
Zur Erforschung immer kleinerer Strukturen der Materie benötigt die Elementarteilchenphysik Teilchenstrahlen höchster Energie. Gegenwärtig sind das Higgs-Boson und das Top-Quarks‘ die Objekte des größten physikalischen Interesses. Das sog. “Top” ist das sechste und bisher noch nicht nachgewiesene Mitglied der Quark-Familie. Seine Masse wird unterhalb von etwa 180GeV vermutet. Das Higgs-Boson spielt im sog. Standardmodell der Elementarteilchen eine wichtige Rolle. Seine Masse wird ebenfalls im Bereich zwischen 100 und 200GeV vermutet. Es gibt eine gute Chance, das Top am Protonen- Antiprotonen-Beschleuniger TEVATRON des Fermilab in Chicago nachzuweisen. Seine physikalischen Eigenschaften lassen sich aber erst an zukünfligen Beschleunigem mit höherer Energie bestimmen. Gegenwärtig werden daher mehrere verschiedene Beschleunigerkonzepte erwogen oder sind bereits in Planung bzw. im Bau. Das Spektrum reicht dabei von Protonen-Antiprotonen- bis zu Elektronen-Positronen-Maschinen. Ein vielversprechender Ansatz zur Erzeugung der benötigten Teilchenenergien ist der lineare Elektronen-Positronen-Collider, im folgenden immer als linearer Collider bezeichnet. Das Verhältnis von Meßsignal zu Hintergrund ist bei e+-e-Kollisionen besser als bei Protonen-Kollisionen. Es entstehen keine Partonen, wodurch die zur Verfugung stehende Energie effektiver genutzt werden kann [ 11. Weiterhin ist der lineare Collider im Vergleich zu einer zirkularen Maschine gleicher Endenergie und Luminosität auf lange Sicht kostengünstiger, da keine zusätzliche Hf-Leistung zur Kompensation von Synchrotronstrahlungsverlusten nötig ist. Die für die Experimente erforderliche hohe Luminosität bedingt Teilchenstrahlen von niedrigster Emittanz und geringster Energieverschmierung sowohl innerhalb eines einzelnen Teilchenpaketes als auch zwischen den Bunchen selbst [2]. Zur Erhaltung der Strahlqualität über die volle Lange des Beschleunigers ist es deshalb notwendig, ein akkurates Strahlführungssystem zu entwickeln, das es gestattet, auftretenden Strahlinstabilitäten wirksam zu begegnen. Grund der Instabilitäten sind elektromagnetische Felder, sogenannte Wake- oder Kielwellenfelder, die die Teilchen bei der Durchquerung des Beschleunigers selbst anfachen. Die Teilchenpakete werden dadurch radial von der Achse abgelenkt, sie werden verformt und erfahren eine Impulsverschmierung. Transversale Einzelbunch-Instabilitäten (SBBU, Single Bunch Beam Breakup) kann man durch die Einführung einer Energieverschmierung innerhalb eines Teilchenpakets bekämpfen; in Verbindung mit einer äußeren Strahlführung erreicht man eine Bedämpfung der Instabilität [3]. Als Alternative oder Ergänzung zu äußeren Fokussierungsmaßnahmen erscheint es deshalb interessant, inwieweit man durch geeignete Modifikationen an den Beschleunigerstrukturen die Hochfrequenzfelder selbst zur Erzeugung der benötigten Fokussierung heranziehen kann. Da es sehr schwierig ist, die für das Experiment geforderte Luminosität mit einem einzelnen Bunch zu erzeugen, muß man mehrere Teilchenpakete in kurzem Abstand durch den Beschleuniger schicken. Jetzt erfährt aber jeder Bunch die aufsummierten Wakefelder der ihm vorausfliegenden Teilchenpakete. Um zu verhindern, daß die transversale Strahlablage inakzeptabel groß wird, müssen Maßnahmen zur Kontrolle dieser Vielteilchen-Instabilitäten (MBBU, Multibunch Beam Breakup) getroffen werden. Das bedeutet, die Güten dieser als Long-Range-Wakes bezeichneten Störmoden müssen, je nach Collider, durch konstruktive Maßnahmen auf Werte in der Größenordnung von zehn abgesenkt werden. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit theoretischen Anwendungsmöglichkeiten von hochfrequenzfokussierenden Beschleunigerstrukturen in linearen Collidem bei Einzel- und Multibunch-Betrieb. In Kap. 2 wird eine kurze Einführung in die Problematik von Höchstenergiebeschleunigem gegeben. Anschließend werden in Kap. 3 Irisstrukturen und ihre Kenngrößen behandelt. Kap. 4 gibt eine Einführung in das Wakefeld-Konzept. Es wird untersucht, welche Resonatormoden für den Strahl gefährlich sind; die Wakepotentiale werden mit Resonatorkenngrößen in Verbindung gebracht. In Kap. 5 schließt sich eine Betrachtung zum SBBU an. Es wird untersucht, inwieweit Irisstrukturen und Rechteckblendenstrukturen (MWQ-Strukturen) zur direkten Hochfrequenzfokussierung eingesetzt werden können. Die Eigenschaften einer MWQ-Struktur werden vermessen und mit theoretischen Vorhersagen verglichen. Beispiele fiir hypothetische Collider in verschiedenen Frequenzbereichen werden diskutiert. Im anschließenden Kap. 6 wird der Mechanismus des MBBU erläutert und Möglichkeiten zur Bedämpfung insbesondere von MWQ-Strukturen im Multibunch-Betrieb untersucht. Meßergebnisse an Modellstrukturen werden vorgestellt und am Beispiel von einem S- und X-Band- Collider diskutiert.
In dieser Arbeit konnten erstmals differentielle Ionisationswirkungsquerschnitte für Antimaterie-Materie-Stöße gemessen werden. Mit Hilfe der COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (COLTRIMS) wurden die Stoßsysteme p± + He ® p± + He+1 + ebei einer Einschußenergie von etwa 1 MeV untersucht. Die experimentellen Ergebnisse für die Einfachionisation von Helium durch Antiprotonenstöße werden mit denen für Protonenstöße verglichen. Dies erlaubt den Stoßmechanismus in Abhängigkeit von der Richtung der störenden Kraft zu studieren. Als Ergebniss konnte die Post-Collision-Interaction (PCI) in der longitudinalen Richtung des Stoßes (Projektilrichtung) quantitativ bestimmt werden. Trotz der großen experimentellen Schwierigkeiten (hochenergetischer Antiprotonenstrahl, geringer Antiprotonenstrom, große Strahldivergenz und Strahlungsuntergrund durch Antiprotonenzerfall) konnten absolute die Wirkungsquerschnitte in Abhängigkeit vom Longitudinalimpuls gemessen werden. Innerhalb der experimentellen Fehler zeigen die Longitudinalimpulsverteilungen keine Abhängigkeit vom Projektilvorzeichen. Die folgende Tabelle faßt die mittleren Impulse des Elektrons und des Rückstoßions für Antiprotonen- und Protonenstöße zusammen Rückstoßion Elektron Antiproton 0.07±0.045 a.u. 0.087±0.039 a.u. Proton 0.075±0.025 a.u. 0.075±0.007 a.u. Die Tabelle zeigt, daß nach dem Stoß die Elektronen in beiden Stoßsystemen etwas nach vorne emittiert werden. Das steht im Widerspruch zu den theoretischen Vorhersagen, wonach erwartet wird, daß die Elektronen im Protonenstoß etwas nach „vorne“ und im Antiprotonenstoß etwas nach „hinten“ emittiert werden. Das Rückstoßion agiert in beiden Systemen als Beobachter. Dies widerspricht ebenfalls den Vorhersagen, wonach erwartet wird, daß das Rückstoßion im Protonenstoß etwas nach hinten und im Antiprotonenstoß etwas nach vorne emittiert wird. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine bessere Übereinstimmung mit den Continuum-Distorted-Wave (CDW) Rechnungen als mit den Classical- Trajectory-Monte-Carlo (CTMC) Rechnungen. Im Vergleich zur Stößen mit schnellen hochgeladenen Ionen zeigen die Daten dieser Arbeit, daß die Elektronen die Impulsverluste des Projektils kompensieren, während in hochgeladenen Ion-Atom-Stöße die Rückstoßionen den Impuls der Elektronen kompensieren.
Evidence for an exotic S=-2, Q=-2 baryon resonance in proton-proton collisions at the CERN SPS
(2004)
Results of resonance searches in the Xi - pi -, Xi - pi +, Xi -bar+ pi -, and Xi -bar+ pi + invariant mass spectra in proton-proton collisions at sqrt[s]=17.2 GeV are presented. Evidence is shown for the existence of a narrow Xi - pi - baryon resonance with mass of 1.862±0.002 GeV/c2 and width below the detector resolution of about 0.018 GeV/c2. The significance is estimated to be above 4.2 sigma . This state is a candidate for the hypothetical exotic Xi --3/2 baryon with S=-2, I=3 / 2, and a quark content of (dsdsu-bar). At the same mass, a peak is observed in the Xi - pi + spectrum which is a candidate for the Xi 03/2 member of this isospin quartet with a quark content of (dsusd-bar). The corresponding antibaryon spectra also show enhancements at the same invariant mass.
The results from the STAR Collaboration on directed flow (v1), elliptic flow (v2), and the fourth harmonic (v4) in the anisotropic azimuthal distribution of particles from Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV are summarized and compared with results from other experiments and theoretical models. Results for identified particles are presented and fit with a blast-wave model. Different anisotropic flow analysis methods are compared and nonflow effects are extracted from the data. For v2, scaling with the number of constituent quarks and parton coalescence are discussed. For v4, scaling with v22 and quark coalescence are discussed.
Midrapidity open charm spectra from direct reconstruction of D0(D0-bar)-->K± pi ± in d+Au collisions and indirect electron-positron measurements via charm semileptonic decays in p+p and d+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV are reported. The D0(D0-bar) spectrum covers a transverse momentum (pT) range of 0.1<pT<3 GeV/c, whereas the electron spectra cover a range of 1<pT<4 GeV/c. The electron spectra show approximate binary collision scaling between p+p and d+Au collisions. From these two independent analyses, the differential cross section per nucleon-nucleon binary interaction at midrapidity for open charm production from d+Au collisions at BNL RHIC is d sigma NNcc-bar/dy=0.30±0.04(stat)±0.09(syst) mb. The results are compared to theoretical calculations. Implications for charmonium results in A+A collisions are discussed.
We present the first large-acceptance measurement of event-wise mean transverse momentum <pt> fluctuations for Au-Au collisions at nucleon-nucleon center-of-momentum collision energy sqrt[sNN] = 130 GeV. The observed nonstatistical <pt> fluctuations substantially exceed in magnitude fluctuations expected from the finite number of particles produced in a typical collision. The r.m.s. fractional width excess of the event-wise <pt> distribution is 13.7±0.1(stat) ±1.3(syst)% relative to a statistical reference, for the 15% most-central collisions and for charged hadrons within pseudorapidity range | eta |<1,2 pi azimuth, and 0.15 <= pt <= 2 GeV/c. The width excess varies smoothly but nonmonotonically with collision centrality and does not display rapid changes with centrality which might indicate the presence of critical fluctuations. The reported <pt> fluctuation excess is qualitatively larger than those observed at lower energies and differs markedly from theoretical expectations. Contributions to <pt> fluctuations from semihard parton scattering in the initial state and dissipation in the bulk colored medium are discussed.
The short-lived K(892)* resonance provides an efficient tool to probe properties of the hot and dense medium produced in relativistic heavy-ion collisions. We report measurements of K* in sqrt[sNN]=200GeV Au+Au and p+p collisions reconstructed via its hadronic decay channels K(892)*0-->K pi and K(892)*±-->K0S pi ± using the STAR detector at the Relativistic Heavy Ion Collider at Brookhaven National Laboratory. The K*0 mass has been studied as a function of pT in minimum bias p+p and central Au+Au collisions. The K*pT spectra for minimum bias p+p interactions and for Au+Au collisions in different centralities are presented. The K*/K yield ratios for all centralities in Au+Au collisions are found to be significantly lower than the ratio in minimum bias p+p collisions, indicating the importance of hadronic interactions between chemical and kinetic freeze-outs. A significant nonzero K*0 elliptic flow (v2) is observed in Au+Au collisions and is compared to the K0S and Lambda v2. The nuclear modification factor of K* at intermediate pT is similar to that of K0S but different from Lambda . This establishes a baryon-meson effect over a mass effect in the particle production at intermediate pT (2<pT <= 4GeV/c).
We present a systematic analysis of two-pion interferometry in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV using the STAR detector at Relativistic Heavy Ion Collider. We extract the Hanbury-Brown and Twiss radii and study their multiplicity, transverse momentum, and azimuthal angle dependence. The Gaussianness of the correlation function is studied. Estimates of the geometrical and dynamical structure of the freeze-out source are extracted by fits with blast-wave parametrizations. The expansion of the source and its relation with the initial energy density distribution is studied.
Correlations in the hadron distributions produced in relativistic Au+Au collisions are studied in the discrete wavelet expansion method. The analysis is performed in the space of pseudorapidity (| eta | <= 1) and azimuth(full 2 pi ) in bins of transverse momentum (pt) from 0.14 <= pt <= 2.1GeV/c. In peripheral Au+Au collisions a correlation structure ascribed to minijet fragmentation is observed. It evolves with collision centrality and pt in a way not seen before, which suggests strong dissipation of minijet fragmentation in the longitudinally expanding medium.
Results on high transverse momentum charged particle emission with respect to the reaction plane are presented for Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. Two- and four-particle correlations results are presented as well as a comparison of azimuthal correlations in Au+Au collisions to those in p+p at the same energy. The elliptic anisotropy v2 is found to reach its maximum at pt~3 GeV/c, then decrease slowly and remain significant up to pt ~ 7-10 GeV/c. Stronger suppression is found in the back-to-back high-pt particle correlations for particles emitted out of plane compared to those emitted in plane. The centrality dependence of v2 at intermediate pt is compared to simple models based on jet quenching.
Azimuthally sensitive Hanbury Brown-Twiss interferometry in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV
(2004)
We present the results of a systematic study of the shape of the pion distribution in coordinate space at freeze-out in Au+Au collisions at BNL RHIC using two-pion Hanbury Brown-Twiss (HBT) interferometry. Oscillations of the extracted HBT radii versus emission angle indicate sources elongated perpendicular to the reaction plane. The results indicate that the pressure and expansion time of the collision system are not sufficient to completely quench its initial shape.
The pseudorapidity asymmetry and centrality dependence of charged hadron spectra in d+Au collisions at sqrt[sNN ]=200 GeV are presented. The charged particle density at midrapidity, its pseudorapidity asymmetry, and centrality dependence are reasonably reproduced by a multiphase transport model, by HIJING, and by the latest calculations in a saturation model. Ratios of transverse momentum spectra between backward and forward pseudorapidity are above unity for pT below 5 GeV/c . The ratio of central to peripheral spectra in d+Au collisions shows enhancement at 2< pT <6 GeV/c , with a larger effect at backward rapidity than forward rapidity. Our measurements are in qualitative agreement with gluon saturation and in contrast to calculations based on incoherent multiple partonic scatterings.
Transverse energy ( ET ) distributions have been measured for Au+Au collisions at sqrt[sNN ]=200 GeV by the STAR Collaboration at RHIC. ET is constructed from its hadronic and electromagnetic components, which have been measured separately. ET production for the most central collisions is well described by several theoretical models whose common feature is large energy density achieved early in the fireball evolution. The magnitude and centrality dependence of ET per charged particle agrees well with measurements at lower collision energy, indicating that the growth in ET for larger collision energy results from the growth in particle production. The electromagnetic fraction of the total ET is consistent with a final state dominated by mesons and independent of centrality.
We report inclusive photon measurements about midrapidity ( |y| <0.5 ) from 197 Au + 197 Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV at RHIC. Photon pair conversions were reconstructed from electron and positron tracks measured with the Time Projection Chamber (TPC) of the STAR experiment. With this method, an energy resolution of Delta E/E ~ 2% at 0.5 GeV has been achieved. Reconstructed photons have also been used to measure the transverse momentum ( pt ) spectra of pi 0 mesons about midrapidity ( |y| <1 ) via the pi 0 --> gamma gamma decay channel. The fractional contribution of the pi 0 --> gamma gamma decay to the inclusive photon spectrum decreases by 20%±5% between pt =1.65 GeV/c and pt =2.4 GeV/c in the most central events, indicating that relative to pi 0 --> gamma gamma decay the contribution of other photon sources is substantially increasing.
We present STAR measurements of charged hadron production as a function of centrality in Au+Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV . The measurements cover a phase space region of 0.2< pT <6.0 GeV/c in transverse momentum and -1< eta <1 in pseudorapidity. Inclusive transverse momentum distributions of charged hadrons in the pseudorapidity region 0.5< | eta | <1 are reported and compared to our previously published results for | eta | <0.5 . No significant difference is seen for inclusive pT distributions of charged hadrons in these two pseudorapidity bins. We measured dN/d eta distributions and truncated mean pT in a region of pT > pcutT , and studied the results in the framework of participant and binary scaling. No clear evidence is observed for participant scaling of charged hadron yield in the measured pT region. The relative importance of hard scattering processes is investigated through binary scaling fraction of particle production.
We report on the rapidity and centrality dependence of proton and antiproton transverse mass distributions from 197Au + 197Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV as measured by the STAR experiment at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Our results are from the rapidity and transverse momentum range of |y| <0.5 and 0.35< pt <1.00 GeV/c . For both protons and antiprotons, transverse mass distributions become more convex from peripheral to central collisions demonstrating characteristics of collective expansion. The measured rapidity distributions and the mean transverse momenta versus rapidity are flat within |y| <0.5 . Comparisons of our data with results from model calculations indicate that in order to obtain a consistent picture of the proton (antiproton) yields and transverse mass distributions the possibility of prehadronic collective expansion may have to be taken into account.
We present data on e+ e- pair production accompanied by nuclear breakup in ultraperipheral gold-gold collisions at a center of mass energy of 200 GeV per nucleon pair. The nuclear breakup requirement selects events at small impact parameters, where higher-order diagrams for pair production should be enhanced. We compare the data with two calculations: one based on the equivalent photon approximation, and the other using lowest-order quantum electrodynamics (QED). The data distributions agree with both calculations, except that the pair transverse momentum spectrum disagrees with the equivalent photon approach. We set limits on higher-order contributions to the cross section.
The transverse mass spectra and midrapidity yields for Xi s and Omega s are presented. For the 10% most central collisions, the Xi -bar+/h- ratio increases from the Super Proton Synchrotron to the Relativistic Heavy Ion Collider energies while the Xi -/h- stays approximately constant. A hydrodynamically inspired model fit to the Xi spectra, which assumes a thermalized source, seems to indicate that these multistrange particles experience a significant transverse flow effect, but are emitted when the system is hotter and the flow is smaller than values obtained from a combined fit to pi , K, p, and Lambda s.
Measurements of the production of forward high-energy pi 0 mesons from transversely polarized proton collisions at sqrt[s]=200 GeV are reported. The cross section is generally consistent with next-to-leading order perturbative QCD calculations. The analyzing power is small at xF below about 0.3, and becomes positive and large at higher xF, similar to the trend in data at sqrt[s] <= 20 GeV. The analyzing power is in qualitative agreement with perturbative QCD model expectations. This is the first significant spin result seen for particles produced with pT>1 GeV/c at a polarized proton collider.
Transverse mass and rapidity distributions for charged pions, charged kaons, protons, and antiprotons are reported for sqrt[sNN]=200 GeV pp and Au+Au collisions at Relativistic Heary Ion Collider (RHIC). Chemical and kinetic equilibrium model fits to our data reveal strong radial flow and long duration from chemical to kinetic freeze-out in central Au+Au collisions. The chemical freeze-out temperature appears to be independent of initial conditions at RHIC energies.
We report results on rho (770)0--> pi + pi - production at midrapidity in p+p and peripheral Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. This is the first direct measurement of rho (770)0--> pi + pi - in heavy-ion collisions. The measured rho 0 peak in the invariant mass distribution is shifted by ~40 MeV/c2 in minimum bias p+p interactions and ~70 MeV/c2 in peripheral Au+Au collisions. The rho 0 mass shift is dependent on transverse momentum and multiplicity. The modification of the rho 0 meson mass, width, and shape due to phase space and dynamical effects are discussed.
We present STAR measurements of the azimuthal anisotropy parameter v2 and the binary-collision scaled centrality ratio RCP for kaons and lambdas ( Lambda + Lambda -bar) at midrapidity in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. In combination, the v2 and RCP particle-type dependencies contradict expectations from partonic energy loss followed by standard fragmentation in vacuum. We establish pT ~ 5 GeV/c as the value where the centrality dependent baryon enhancement ends. The K0S and Lambda + Lambda -bar v2 values are consistent with expectations of constituent-quark-number scaling from models of hadron formation by parton coalescence or recombination.
Pion-kaon correlation functions are constructed from central Au+Au STAR data taken at sqrt[sNN]=130 GeV by the STAR detector at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). The results suggest that pions and kaons are not emitted at the same average space-time point. Space-momentum correlations, i.e., transverse flow, lead to a space-time emission asymmetry of pions and kaons that is consistent with the data. This result provides new independent evidence that the system created at RHIC undergoes a collective transverse expansion.
Data from the first physics run at the Relativistic Heavy-Ion Collider at Brookhaven National Laboratory, Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV, have been analyzed by the STAR Collaboration using three-pion correlations with charged pions to study whether pions are emitted independently at freeze-out. We have made a high-statistics measurement of the three-pion correlation function and calculated the normalized three-particle correlator to obtain a quantitative measurement of the degree of chaoticity of the pion source. It is found that the degree of chaoticity seems to increase with increasing particle multiplicity.
We report high statistics measurements of inclusive charged hadron production in Au+Au and p+p collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. A large, approximately constant hadron suppression is observed in central Au+Au collisions for 5<pT<12 GeV/c. The collision energy dependence of the yields and the centrality and pT dependence of the suppression provide stringent constraints on theoretical models of suppression. Models incorporating initial-state gluon saturation or partonic energy loss in dense matter are largely consistent with observations. We observe no evidence of pT-dependent suppression, which may be expected from models incorporating jet attenuation in cold nuclear matter or scattering of fragmentation hadrons.
We report measurements of single-particle inclusive spectra and two-particle azimuthal distributions of charged hadrons at high transverse momentum (high pT) in minimum bias and central d+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. The inclusive yield is enhanced in d+Au collisions relative to binary-scaled p+p collisions, while the two-particle azimuthal distributions are very similar to those observed in p+p collisions. These results demonstrate that the strong suppression of the inclusive yield and back-to-back correlations at high pT previously observed in central Au+Au collisions are due to final-state interactions with the dense medium generated in such collisions.
We present the results of charged particle fluctuations measurements in Au+Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV using the STAR detector. Dynamical fluctuations measurements are presented for inclusive charged particle multiplicities as well as for identified charged pions, kaons, and protons. The net charge dynamical fluctuations are found to be large and negative providing clear evidence that positive and negative charged particle production is correlated within the pseudorapidity range investigated. Correlations are smaller than expected based on model-dependent predictions for a resonance gas or a quark-gluon gas which undergoes fast hadronization and freeze-out. Qualitative agreement is found with comparable scaled p+p measurements and a heavy ion jet interaction generation model calculation based on independent particle collisions, although a small deviation from the 1/N scaling dependence expected from this model is observed.
The balance function is a new observable based on the principle that charge is locally conserved when particles are pair produced. Balance functions have been measured for charged particle pairs and identified charged pion pairs in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV at the Relativistic Heavy Ion Collider using STAR. Balance functions for peripheral collisions have widths consistent with model predictions based on a superposition of nucleon-nucleon scattering. Widths in central collisions are smaller, consistent with trends predicted by models incorporating late hadronization.
Azimuthal anisotropy (v2) and two-particle angular correlations of high pT charged hadrons have been measured in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV for transverse momenta up to 6 GeV/c, where hard processes are expected to contribute significantly. The two-particle angular correlations exhibit elliptic flow and a structure suggestive of fragmentation of high pT partons. The monotonic rise of v2(pT) for pT<2 GeV/c is consistent with collective hydrodynamical flow calculations. At pT>3 GeV/c, a saturation of v2 is observed which persists up to pT=6 GeV/c.
Azimuthal anisotropy (v2) and two-particle angular correlations of high pT charged hadrons have been measured in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV for transverse momenta up to 6 GeV/c, where hard processes are expected to contribute significantly. The two-particle angular correlations exhibit elliptic flow and a structure suggestive of fragmentation of high pT partons. The monotonic rise of v2(pT) for pT<2 GeV/c is consistent with collective hydrodynamical flow calculations. At pT>3 GeV/c, a saturation of v2 is observed which persists up to pT=6 GeV/c.
The STAR Collaboration reports the first observation of exclusive rho 0 photoproduction, AuAu-->AuAu rho 0, and rho 0 production accompanied by mutual nuclear Coulomb excitation, AuAu-->Au [star] Au [star] rho 0, in ultraperipheral heavy-ion collisions. The rho 0 have low transverse momenta, consistent with coherent coupling to both nuclei. The cross sections at sqrt[sNN]=130 GeV agree with theoretical predictions treating rho 0 production and Coulomb excitation as independent processes.
Inclusive transverse momentum distributions of charged hadrons within 0.2<pT<6.0 GeV/c have been measured over a broad range of centrality for Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV. Hadron yields are suppressed at high pT in central collisions relative to peripheral collisions and to a nucleon-nucleon reference scaled for collision geometry. Peripheral collisions are not suppressed relative to the nucleon-nucleon reference. The suppression varies continuously at intermediate centralities. The results indicate significant nuclear medium effects on high-pT hadron production in heavy-ion collisions at high energy.
We report STAR results on the azimuthal anisotropy parameter v2 for strange particles K0S, Lambda , and Lambda -bar at midrapidity in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV at the Relativistic Heavy Ion Collider. The value of v2 as a function of transverse momentum, pt, of the produced particle and collision centrality is presented for both particles up to pt~3.0 GeV/c. A strong pt dependence in v2 is observed up to 2.0 GeV/c. The v2 measurement is compared with hydrodynamic model calculations. The physics implications of the pt integrated v2 magnitude as a function of particle mass are also discussed.
We report the first measurement of strange ( Lambda ) and antistrange ( Lambda -bar) baryon production from sqrt[sNN]=130 GeV Au+Au collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Rapidity density and transverse mass distributions at midrapidity are presented as a function of centrality. The yield of Lambda and Lambda -bar hyperons is found to be approximately proportional to the number of negative hadrons. The production of Lambda -bar hyperons relative to negative hadrons increases very rapidly with transverse momentum. The magnitude of the increase cannot be described by existing hadronic string fragmentation models alone.
We report the first observation of K*(892)0--> pi K in relativistic heavy ion collisions. The transverse momentum spectrum of (K*0+K*0)/2 from central Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV is presented. The ratios of the K*0 yield derived from these data to the yields of negative hadrons, charged kaons, and phi mesons have been measured in central and minimum bias collisions and compared with model predictions and comparable e+e-, pp, and p-barp results. The data indicate no dramatic reduction of K*0 production in relativistic heavy ion collisions despite expected losses due to rescattering effects.