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Die Untersuchung der Eigenschaften von Hadronen und ihren Konstituenten (Quarks und Gluonen) in heißer und/oder dichter Kernmaterie ist eines der Hauptziele der Physik mit schweren Ionen. Der Zustand dichter und heißer Materie kann im Labor für kurze Zeit in der Reaktionszone von relativistischen Schwerionenkollisionen geschaffen werden. Einen Einblick über die Eigenschaften der starken Wechselwirkung und über die Massenerzeugung der Hadronen geben Dileptonen-Experimente, da Leptonen nicht von der starken Wechselwirkung beeinflusst werden. Unabhängig von der Strahlenergie zeigen die invarianten Massenspektren der Dileptonen in Schwerionenkollisionen im Vergleich zur Superposition der erwarteten hadronischen Zerfälle im Vakuum einen Überschuss im invarianten Massenbereich 0,2 - 0,6 GeV/c². Während dieser Überschuss bei CERN-SPS Energien in Zusammenhang mit der In-Medium-Modifikation der Spektralfunktion des Rho-Mesons gebracht wird, konnte die hohe Zahl der Dileptonen, die von der DLS Kollaboration in C + C und Ca + Ca bei 1 GeV/u beobachtet wurde, bis zum Erscheinen der HADES Daten nicht zufrieden stellend erklärt werden. Die Diskrepanz zwischen experimentellen Daten und Transportrechnungen erhielt den Namen "DLS Puzzle". In diesem Zusammenhang wurde eine kontroverse Diskussion über die Validität der Ergebnisse der DLS Kollaboration geführt. Das HADES Detektorsystem (High Acceptance Di-Electron Spectrometer), das sich am Schwerionensynchroton der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt befindet, ist zur Zeit das einzige Experiment, das Dielektronen bei Projektilenergien von 1 - 2 GeV/u misst. Es tritt somit die Nachfolge des DLS Experiments an. Jedoch ist HADES durch zahlreiche technische Verbesserungen, u.a. Massenauflösung und Akzeptanz, im Vergleich zum Spektrometer DLS ein Experiment der 2. Generation. Erste Ergebnisse der Messung 12C + 12C bei 2 GeV/u der HADES Kollaboration bestätigen den generellen Trend einer erhöhten Zählrate im Vergleich zu den erwarteten Beiträgen von hadronischen Zerfällen. Es stellt sich die Frage, wie sich diese Beobachtung zu kleineren Strahlenergien hin fortsetzt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die mit dem HADES Detektorsystem durchgeführte Messung der Dielektronenproduktion in der Schwerionenkollision 12C + 12C bei einer Projektilenergie von 1 GeV/u ausgewertet. Wesentliche Zielsetzungen sind u. a. die Überprüfung der DLS Daten und die Bestimmung der Anregungsfunktion des Überschusses. In der Analyse wird demonstriert, dass Leptonen effizient nachgewiesen werden. Die dargestellte Paaranalyse zeigt, dass der kombinatorische Untergrund erfolgreich reduziert und die Menge der wahren Dielektronen weitgehend erhalten werden kann. Nach Abzug des kombinatorischen Untergrundes werden die effizienzkorrigierten und normierten invarianten Massen-, Transversalimpuls- und Rapiditätsverteilungen der Dielektronen untersucht. Die Ergebnisse werden mit hadronischen Cocktails verschiedener theoretischer Ansätze verglichen. Diese beinhalten die Beiträge kurz- und langlebiger Dileptonenquellen einer thermischen Quelle (PLUTO) sowie mikroskopische Transportrechnungen (HSD,IQMD). Im Massenbereich 0,2 - 0,6 GeV/c² wird der gemessene Überschuss relativ zu den Vorhersagen bestätigt. Zusammen mit den Ergebnissen der Messung 12C + 12C bei 2 GeV/u zeigt sich, dass der Überschuss mit abnehmender Strahlenergie relativ zunimmt. Eine detaillierte Analyse zeigt, dass der Überschuss in dem Massenintervall 0,15 - 0,5 GeV/c² als Funktion der Projektilenergie entsprechend der Zahl der produzierten neutralen Pionen und nicht wie die Zahl des Eta-Mesons skaliert. Der direkte Vergleich der HADES mit den DLS Ergebnissen zeigt, dass die Daten der vorliegenden Arbeit mit den für lange Zeit angezweifelten DLS Resultaten übereinstimmen. Die Frage nach dem physikalischen Ursprung des Überschusses rückt somit erneut in den Vordergrund. In diesem Zusammenhang ist das Studium der Dileptonenproduktion in elementaren Reaktionen p + p und d + p wichtig. Neuere Rechnungen mit einem One Boson Exchange (OBE) Modell deuten darauf hin, dass die Beiträge von p-p und hauptsächlich p-n zur Bremsstrahlung signifikant höher sind als bisher vermutet. Eine aktualisierte Transportrechnung (HSD), deren Parametrisierung der Bremsstrahlung durch dieses OBE Resultat inspiriert ist, scheint in der Lage zu sein, die Ergebnisse der Messungen 12C + 12C bei 1 GeV/u der HADES und DLS Kollaboration recht gut zu beschreiben. Die entsprechenden Vergleiche sind dargestellt und werden diskutiert. Aber auch die Transportrechnung IQMD erklärt die HADES Daten recht gut. Daher ist es offensichtlich, dass eine direkte Gegenüberstellung der OBE Modellrechnungen und der von der HADES Kollaboration gemessenen und derzeit analysierten Daten zur Dileptonenproduktion in p + p und d + p Reaktionen erforderlich ist. Nur so können sichere Schlüsse über den Ursprung der Dileptonen bei SIS Energien gezogen werden.
Ein Schwerpunkt der physikalischen Fragestellungen, die zur Entwicklung des Dileptonenspektrometers HADES führten, ist die präzise Vermessung des invarianten Massenspektrums von Dileptonen, die in zentralen Reaktionen von relativistischen Schwerionen entstehen. In den Spektren sind die leptonischen Zerfälle der Vektormesonen enthalten. Aus Position und Breite der entsprechenden Signale kann auf eine mögliche Veränderung der Eigenschaften von Vektormesonen im dichten und heißen Kernmedium geschlossen werden. Für die Rekonstruktion der Teilchentrajektorien der Elektronen und Positronen werden die Vieldraht-Driftkammern verwendet, und unter Berücksichtigung des Magnetfelds kann der Teilchenimpuls mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die hohe Impulsauflösung gepaart mit einer großen Akzeptanz und einem effektiven Trigger, ist eine notwendige Voraussetzung für das Studium von Dileptonen im SIS Energiebereich 1-2 GeV per Nukleon. Eine Flugzeitwand ermittelt über die Teilchenmultiplizität die Zentralität des Stoßes und hilft mittels der Flugzeit bei der Identifikation von Teilchen, insbesondere der Hadronen. Elektronen werden mit Hilfe spezieller Detektoren (Ringabbildender Cherenkov Detektor und Schauerdetektor) identifiziert. Ein effizientes Triggerkonzept zusammen mit einer innovativen Datenaufnahme ermöglicht, solche Ereignisse, in denen sich Dileptonenkandidaten befinden, schnell zu erkennen und dann zu registrieren, um so in kurzer Zeit eine hinreichende Statistik an Dileptonen zu erhalten. Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten war das Ziel der Diplomarbeit, die Untersuchung des Ansprechverhaltens der Driftkammern auf Myonen aus der kosmischen Höhenstrahlung und deren Positionen relativ zur Flugzeitwand zu bestimmen. Da die Myonen aus der kosmischen Höhenstrahlung ähnliche Signale in den Vieldraht-Driftkammern hervorrufen wie die in den Schwerionenreaktionen produzierten minimal ionisierenden Teilchen, war es möglich, unabhängig von Strahlzeiten das Ansprechverhalten der Vieldraht-Driftkammern zu untersuchen. Um dieses zu erforschen, wurde zunächst ein spezieller Trigger aufgebaut, der auf Koinzidenzen von gegenüberliegenden Flugzeitwand-Sektoren beruht. So konnte das Durchqueren eines Myon-Kandidaten durch das Spektrometer registriert, und die Teilchentrajektorie vom Ein- bis zum Austritt aus diesem nachvollzogen werden. Die primären Messgrößen, wie die Driftzeiten, und die Korrelation zwischen den Driftkammern und der Flugzeitwand, wurden untersucht und mit Daten aus dem Strahlzeit-Experiment vom November 2001 C+C bei 1,9 GeV per Nukleon verglichen. Weiterhin wurde nach Entwicklung einer Myonen-Kandidatensuche die Effizienz der Driftkammern analysiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Driftkammerebenen des Sektors 1 eine Nachweiswahrscheinlichkeit für kosmische Myonen von über 93% aufzeigen. Eine Optimierung der Methode hinsichtlich der Ortsauflösung und Korrelationen zu anderen Drahtebenen oder Driftkammern anderer Ebenen kann in Zukunft in Angriff genommen werden. Da die Intensität der Myonen gering ist, und sie in den meisten Fällen das Spektrometer auf geraden Bahnen durchqueren, sind Vieldeutigkeiten minimiert. So war es möglich, die Positionen der Driftkammern relativ zur Flugzeitwand mit einer Genauigkeit, die durch die Ortsauflösung der Szintillatoren der Flugzeitwand dominiert ist, zu ermitteln. Im Vergleich zu den Standard-Justierungsparametern ergeben sich Abweichungen von bis zu 37,73 mm für die Relativpositionen der Vieldraht-Driftkammern im Vergleich zur Flugzeitwand mit einer Ungenauigkeit von maximal ±7 mm. Um die für das invariante Massenspektrum der Dileptonen notwendige Massenauflösung zu erreichen, wird empfohlen, die Relativpositionen der Driftkammern zueinander und zum Magnetfeld zu bestimmen. Hierfür muss die exakte Ortsinformation des Durchstoßpunktes des Myons auf die Driftkammer über eine Anpassung der Trajektorie berechnet werden. Daraufhin können die Positionen der Driftkammern relativ zueinander mit einer Genauigkeit von < 100 mm ermittelt werden.
We have developed a versatile software package for the simulation of di-electron production in pp and dp collisions at moderate beam kinetic energies (1-2GeV). Particular attention has been paid to incorporate different descriptions of the Dalitz decay Δ rightarrow Ne + e - via a common interface. In addition, suitable parameterizations for the virtual bremsstrahlung process NN rightarrow NNe + e - based on one-boson exchange models have been implemented. Such simulation tools with high flexibility of the framework are important for the interpretation of the di-electron data taken with the HADES spectrometer and demonstrates the wide applicability within the field of nuclear and hadronic physics.
We present measurements of exclusive ensuremathπ+,0 and η production in pp reactions at 1.25GeV and 2.2GeV beam kinetic energy in hadron and dielectron channels. In the case of π+ and π0 , high-statistics invariant-mass and angular distributions are obtained within the HADES acceptance as well as acceptance-corrected distributions, which are compared to a resonance model. The sensitivity of the data to the yield and production angular distribution of Δ (1232) and higher-lying baryon resonances is shown, and an improved parameterization is proposed. The extracted cross-sections are of special interest in the case of pp → pp η , since controversial data exist at 2.0GeV; we find \ensuremathσ=0.142±0.022 mb. Using the dielectron channels, the π0 and η Dalitz decay signals are reconstructed with yields fully consistent with the hadronic channels. The electron invariant masses and acceptance-corrected helicity angle distributions are found in good agreement with model predictions.
The production of prompt Λ+c baryons at midrapidity (|y|<0.5) was measured in central (0-10%) and mid-central (30-50%) Pb-Pb collisions at the center-of-mass energy per nucleon-nucleon pair sNN−−−√=5.02 TeV with the ALICE detector. The Λ+c production yield, the Λ+c/D0 production ratio, and the Λ+c nuclear modification factor RAA are reported. The results are more precise and more differential in transverse momentum (pT) and centrality with respect to previous measurements. The Λ+c/D0 ratio, which is enhanced with respect to the pp measurement for 4<pT<8 GeV/c, is described by theoretical calculations that model the charm-quark transport in the quark-gluon plasma and include hadronization via both coalescence and fragmentation mechanisms.
The production of J/ψ is measured as a function of charged-particle multiplicity at forward rapidity in proton-proton (pp) collisions at center-of-mass energies s√ = 5.02 and 13 TeV. The J/ψ mesons are reconstructed via their decay into dimuons in the rapidity interval (2.5 < y < 4.0), whereas the charged-particle multiplicity density (dNch/dη) is measured at midrapidity (|η| < 1). The production rate as a function of multiplicity is reported as the ratio of the yield in a given multiplicity interval to the multiplicity-integrated one. This observable shows a linear increase with charged-particle multiplicity normalized to the corresponding average value for inelastic events (dNch/dη/〈dNch/dη〉), at both the colliding energies. Measurements are compared with available ALICE results at midrapidity and theoretical model calculations. First measurement of the mean transverse momentum (〈pT〉) of J/ψ in pp collisions exhibits an increasing trend as a function of dNch/dη/〈dNch/dη〉 showing a saturation towards high charged-particle multiplicities.
We present a study of the inclusive charged-particle transverse momentum (pT) spectra as a function of charged-particle multiplicity density at mid-pseudorapidity, dNch/dη, in pp collisions at s√=5.02 and 13 TeV covering the kinematic range |η|<0.8 and 0.15<pT<20 GeV/c. The results are presented for events with at least one charged particle in |η|<1 (INEL>0). The pT spectra are reported for two multiplicity estimators covering different pseudorapidity regions. The pT spectra normalized to that for INEL>0 show little energy dependence. Moreover, the high-pT yields of charged particles increase faster than the charged-particle multiplicity density. The average pT as a function of multiplicity and transverse spherocity is reported for pp collisions at s√=13 TeV. For low- (high-) spherocity events, corresponding to jet-like (isotropic) events, the average pT is higher (smaller) than that measured in INEL>0 pp collisions. Within uncertainties, the functional form of ⟨pT⟩(Nch) is not affected by the spherocity selection. While EPOS LHC gives a good description of many features of data, PYTHIA overestimates the average pT in jet-like events.
J/ψ production as a function of charged-particle multiplicity in p-Pb collisions at √sNN = 8.16 TeV
(2020)
Inclusive J/ψ yields and average transverse momenta in p-Pb collisions at a center-of-mass energy per nucleon pair s NN $$ \sqrt{s_{\mathrm{NN}}} $$ = 8.16 TeV are measured as a function of the charged-particle pseudorapidity density with ALICE. The J/ψ mesons are reconstructed at forward (2.03 < y cms < 3.53) and backward (−4.46 < y cms < −2.96) center-of-mass rapidity in their dimuon decay channel while the charged-particle pseudorapidity density is measured around midrapidity. The J/ψ yields at forward and backward rapidity normalized to their respective average values increase with the normalized charged-particle pseudorapidity density, the former showing a weaker increase than the latter. The normalized average transverse momenta at forward and backward rapidity manifest a steady increase from low to high charged-particle pseudorapidity density with a saturation beyond the average value.
The multiplicity dependence of jet production in pp collisions at the centre-of-mass energy of s√=13 TeV is studied for the first time. Jets are reconstructed from charged particles using the anti-kT algorithm with resolution parameters R varying from 0.2 to 0.7. The jets are measured in the pseudorapidity range |ηjet|<0.9−R and in the transverse momentum range 5<pchT,jet<140 GeV/c. The multiplicity intervals are categorised by the ALICE forward detector V0. The pT differential cross section of charged-particle jets are compared to leading order (LO) and next-to-leading order (NLO) perturbative quantum chromodynamics (pQCD) calculations. It is found that the data are better described by the NLO calculation, although the NLO prediction overestimates the jet cross section below 20 GeV/c. The cross section ratios for different R are also measured and compared to model calculations. These measurements provide insights into the angular dependence of jet fragmentation. The jet yield increases with increasing self-normalised charged-particle multiplicity. This increase shows only a weak dependence on jet transverse momentum and resolution parameter at the highest multiplicity. While such behaviour is qualitatively described by the present version of PYTHIA, quantitative description may require implementing new mechanisms for multi-particle production in hadronic collisions.
The energy deposited at very forward rapidities (very forward energy) is a powerful tool for characterising proton fragmentation in pp and p-Pb collisions. The correlation of very forward energy with particle production at midrapidity provides direct insights into the initial stages and the subsequent evolution of the collision. Furthermore, the correlation with the production of particles with large transverse momenta at midrapidity provides information complementary to the measurements of the underlying event, which are usually interpreted in the framework of models implementing centrality-dependent multiple parton interactions.
Results about very forward energy, measured by the ALICE zero degree calorimeters (ZDCs), and its dependence on the activity measured at midrapidity in pp collisions at s√ = 13 TeV and in p-Pb collisions at sNN−−−√ = 8.16 TeV are discussed. The measurements performed in pp collisions are compared with the expectations of three hadronic interaction event generators: PYTHIA 6 (Perugia 2011 tune), PYTHIA 8 (Monash tune), and EPOS LHC. These results provide new constraints on the validity of models in describing the beam remnants at very forward rapidities, where perturbative QCD cannot be used.