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In der vorliegenden Arbeit werden Stabilitätstests an einer Vieldrahtproportionalkammer nach ALICE-Geometrie vorgestellt. Wegen elektrischer Instabilitäten, das heißt dem Abschalten der Hochspannungsversorgung einzelner Kammern aufgrund von Entladungen an der Ausleseebene, wurde die ALICE-TPC bisher mit zwei unterschiedlichen Gasmischungen betrieben. Es wurden die Gasmischungen Ne-CO2 (90-10) und Ne-CO2-N2 (90-10-5) verwendet. In dieser Arbeit soll nun mit systematischen Stabilitätstests mit einer α- und einer γ-Quelle am Testaufbau am IKF untersucht werden, ob eine Beimischung von Stickstoff zur Gasmischung Ne-CO2 wirklich positive Auswirkungen auf die elektrische Stabilität der Vieldrahtproportionalkammern der ALICE-TPC hat. Messungen mit der Gasmischung Ar-CO2 (90-10) dienen dabei als Referenzmessungen. Zunächst wurden vorbereitende Messungen zum bessseren Verständnis des Einflusses der Ausleseelektronik auf die Padsignale am Testaufbau durchgeführt. Die Untersuchung der von einem Pulser induzierten Signale zeigt, dass keine Korrektur der Nullverschiebung nötig ist. Auÿerdem konnten durch diese Messung die Verstärkungsfaktoren des verwendeten Hauptverstärkers ermittelt werden. Ein weiterer wichtiger Faktor für Stabilitätstests ist die Genauigkeit des Mischungsverhältnisses des Gases. Um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, wurde der Gasfliss der verschiedenen Kanäle des zur Herstellung der Gasmischung genutzten Gasmischers überprüft und so die Bereiche für den Gasfluss gefunden, in denen sich das Mischungsverhältnis nicht ändert. Eine gute Auflösung kann mit Vieldrahtproportionalkammern erreicht werden, wenn die Kammern auch bei einem möglichst groÿen Gain noch stabil betrieben werden können. Um den Gain aus Anodestrommessungen bestimmen zu können, wurden die Primärströme für die α- und die γ-Quelle ermittelt. Frühere Messungen mit einer γ-Quelle, aufgrund derer Stickstoff als Beimischung in den Fokus rückte, ließen vermuten, dass sich durch die Beimischung von Stickstoff die Stabilität der Auslesekammern verbessern lassen würde. Die durchgeführten Messungen mit der γ-Quellen sollten diese Aussage nun überprüfen. Sie können die früheren Ergebnisse jedoch nicht bestätigen, sondern zeigen, dass die Gasmischung Ne-CO2-N2 (90-10-5) im Gegensatz zur Gasmischung Ne-CO2 (90-10) bei Bestrahlung mit der γ-Quelle zu instabileren Bedingungen für die Auslesekammer führt. Zum Erzeugen der Anodensignale bei Stabilitätstests wurden erstmals geladene Teilchen aus einer α-Quelle verwendet. Im Gegensatz zur Messung mit der γ-Quelle kann die Auslesekammer bei der Beimischung von Stickstoff zu Ne-CO2 bis zu einem um 25% höheren Gain stabil betrieben werden als bei der Gasmischung Ne-CO2. Aufgrund des je nach verwendeter Quelle unterschiedlichen Effekts auf die Stabilität der Auslesekammer lässt sich nicht mit absoluter Sicherheit sagen, ob eine Beimischung von Stickstoff die gewünschten Auswirkungen hat. Allerdings werden die Spuren in der ALICE-TPC durch geladene Teilchen hervorgerufen, sodass die Messungen mit der α-Quelle den experimentellen Bedingungen bei ALICE näher kommen als die Messungen mit der γ-Quelle und deshalb die Gasmischung Ne-CO2-N2 (90-10-5) zu bevorzugen ist.

Der Urknall vor ungefähr 13.8 Milliarden Jahren markiert die Entstehung des Universums. Die gesamte Energie und Materie war in einem Punkt konzentriert und expandiert seitdem kontinuierlich. Wenige Sekundenbruchteile nach dem Urknall war die Temperatur und Dichte dieser Materie extrem hoch und die erschaffenen Elementarteilchen, speziell Quarks und Gluonen, durchliefen einen Zustand den man als Quark-Gluon-Plasma (QGP) bezeichnet und innerhalb dessen die starke Wechselwirkung dominiert. Innerhalb dieses Plasmas können Quarks und Gluonen, welche sonst in Hadronen gebunden sind, sich frei bewegen. Die direkte Beobachtung des frühzeitlichen QGPs ist mit heutigen Mitteln nicht möglich. Allerdings ist es möglich die Dynamik und Kinematik innerhalb eines künstlich erzeugten QGPs zu erforschen und damit Rückschlüsse auf die Vorgänge während des Urknalls zu machen. Um künstliche QGPs unter kontrollierten Bedingungen zu erzeugen, werden heutzutage ultrarelativistische Schwerionen zur Kollision gebracht. Der stärkste je gebaute Schwerionenbeschleuniger LHC befindet sich am Kernforschungzentrum CERN in der Nähe von Genf. Das ALICE Experiment, als eines der vier großen Experimente am LHC, wurde speziell gebaut um das QGP näher zu untersuchen. Vollständig ionisierte Bleikerne werden mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den Experimenten zur Kollision gebracht. Die deponierte Energie lässt die Temperatur der Quarks und Gluonen innerhalb der kollidierenden Nukleonen ansteigen bis eine kritische Temperatur überschritten wird und ein Phasenübergang in das QGP erfolgt. Im Laufe der Kollision kühlt das Medium ab und gelangt unter die kritische Temperatur. Nun werden aus den ehemals freien Quarks Hadronen gebildet. Diese Hadronen oder Zerfallsprodukte dieser Hadronen können daraufhin in die Detektoren des Experiments fliegen und werden dann dort gemessen. Es gibt mehrere mögliche Observablen des QGP, die messbar mit dem ALICE Experiment sind. Die Observablen, die in dieser Arbeit detailliert untersucht werden, sind die invariante Masse und der Paartransversalimpuls eines Dielektrons. Ein Dielektron besteht aus einem Elektron und einem Positron, welche miteinander korreliert sind. Dielektronen sind ideale Sonden zur Vermessung des QGPs. Sie werden durch verschiedene Prozesse während allen Kollisionsphasen produziert, wie beispielsweise bei den initialen, harten Stößen der kollidierenden Nukleonen oder durch den elektromagnetischen Zerfall verschiedener Hadronen wie π0 und J/ψ. Zusätzlich strahlt das QGP Dielektronen abhängig von seiner Temperatur ab. Theoretisch erlaubt dies die direkte Temperaturmessung des QGPs. Ein weiterer Vorteil der Dielektronenmessung gegenüber der Messung von Hadronen liegt darin, dass Elektronen und Positronen keine Farbladungen tragen und somit auch nicht mit der dominierenden starken Wechselwirkung innerhalb des QGPs interagieren und somit unbeeinflusst Informationen über seine Dynamik liefern können. In dieser vorliegenden Arbeit werden Dielektronenspektren als Funktion der invarianten Masse und des Paartransversalimpulses in Blei-Blei-Kollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von √sNN = 5.02 TeV gemessen. Das erste Mal in Schwerionenkollisionen konnte an einem der großen LHC Experimente der minimale Transversalimpuls der gemessenen Elektronen und Positronen auf peT > 0.2 GeV/c minimiert werden. Dies gibt im Vergleich zu der publizierten Messung mit peT > 0.4 GeV/c die Möglichkeit auch sogenannte weiche Prozesse zu messen, erhöht aber auch den Komplexit ätsgrad der Messung durch massiv gesteigerten Untergrund. Zusätzlich ist die Messung zentralitäsabhängig durchgeführt. Zentralität ist ein Maß für den Abstand der beiden Bleikerne zum Zeitpunkt der Kollision. Je zentraler eine Kollision, desto größer ist die deponierte Energie und desto größer und heißer ist das erzeugte QGP und die daraus resultierenden Effekte. Die gemessenen Dielektronenverteilungen werden mit dem erwarteten Beiträgen aus hadronischen Zerfällen verglichen. Die Messung ergibt, dass der Beitrag aus semileptonischen Zerfällen von Charmquarks gemessen im Vakuum, welcher mit der Anzahl der binären Nukleon-Nukleon-Kollisionen in Blei-Blei-Ereignissen hochskaliert ist, nicht das Dielektronenspektrum beschreibt. Eine Modifizierung des Beitrag gemäß des unabhängig gemessenen nuklearen Modifikationsfaktors für einzelne Elektronen aus Charm- und Beautyquarks verbessert die Beschreibung des Dielektronenspektrums. Zusätzlich wurde der Beitrag virtueller direkter Photonen abgeschätzt. Die gemessenen Werte sind vergleichbar mit vorangegangenen Messungen bei einer niedrigeren Schwerpunktsenergie. Ebenso ist es möglich in periphären Kollisionen einen Beitrag durch eine Quelle zu vermessen, die Dielektronen bei niedrigem Transversalimpuls pT,ee < 0.15 GeV/c aussendet.

Das CBM-Experiment an der Forschungseinrichtung FAIR in Darmstadt wird in Zukunft das Phasendiagramm der QCD im Bereich von niedrigen bis moderaten Temperaturen und hohen Baryondichten untersuchen und dabei mit hadronischen und elektromagnetischen Sonden eine Vielzahl an Observablen messen. Um Elektronen und Positronen von geladenen Pionen effizient zu unterscheiden werden mehrere Lagen von Übergangsstrahlungsdetektoren auf Basis von Vieldrahtproportionalkammern verwendet. Bei den hohen Reaktionsraten des CBM-Experiments von bis zu 10MHz am target sind schnelle Detektoren notwendig um die vielen Teilchen mit einer hohen zeitlichen Auflösung nachzuweisen. Aus diesem Grund werden am IKF der Goethe-Universität dünne MWPCs ohne zusätzliche Driftregion entwickelt, für die ein Eintrittsfenster aus dünner Mylarfolie mit einer kleinen Absorptionswahrscheinlichkeit der TR-Photonen in Betracht gezogen wird. Bei großen Detektoren beult sich ein dünnes Folienfenster bereits bei Druckunterschieden von einigen Mikrobar aus, was eine Variation der Gasverstärkung zur Folge hat. Mit Garfield-Simulationen wurde die relative Änderung der Gasverstärkung in Abhängigkeit der Ausbeulung des Eintrittsfensters für Detektoren der Größe 4+4 mm, 5+5mm und 6+6mm mit den Gasgemischen Xe(80%)/CO2(20%) und Xe(90%)/CO2(10%) bestimmt. Um eine Gain-Stabilität von Δ,G = +/- 10% zu gewährleisten, beträgt die maximale Ausbeulung des Folienfensters durchschnittlich 120 μm +/- 5 μm bei der 4+4mm Kammer, 137 μm +/- 5 μm bei der 5+5mm Kammer und 154 μm +/- 6 μm bei der 6+6mm Kammer unabhängig vom Gasgemisch. Diese Ergebnisse stellen eine große Herausforderung für die Detektorentwicklung und -konstruktion dar. Eine Möglichkeit die Ausbeulung des Folienfensters zu minimieren ist ein geeigneter Aufbau, der die Folie verstärkt. Eine weitere Herangehensweise ist die Entwicklung einer Korrekturmethode, die die Gasverstärkung bzw. die gemessenen Signale abhängig von verschiedenen Drücken, Druckunterschieden und der damit verbundenen Ausbeulung des Eintrittsfensters korrigiert, wodurch die Signale reproduzierbar und vergleichbar werden. Weiterhin wurden die Elektron-Driftzeiten für die drei Kammergeometrien simuliert um eine Aussage über die Zeitauflösung des Detektors zu machen. Die Driftzeiten unter Verwendung eines Xe(90%)/CO2(10%) Gasgemischs sind dabei grundsätzlich größer als mit Xe(80%)/CO2(20%) und führen zu Zeitauflösungen von Δt ~ 40 ns bzw. Δt ~ 30 ns. Die maximalen Driftzeiten am äußeren Rand der Detektoren sind für alle Detektorgeometrien mit beiden Gasgemischen sehr klein im Vergleich zu den erwarteten durchschnittlichen Teilchenraten. Daraus folgt, dass die Zeitauflösung der untersuchten Detektoren die Erwartungen mit Hinblick auf die Reaktionsraten des CBM-Experiments erfüllt.

Die vorgestellte Arbeit beschreibt die Messung neutraler Pionen in pp-Kollisionen bei √s = 8 TeV. Die Messung kann als Referenz für Pb-Pb-Kollisionen dienen und somit dazu beitragen, die Eigenschaften des QGP zu untersuchen. Für die Messung werden Daten des ALICE-EMCal-Detektors verwendet, die 2012 gemessen wurden. Das EMCal kann die deponierte Energie und die Position von Photonen messen. Es fasst die deponierte Energie zu sogenannten Clustern zusammen. Durch die Kombination von Clustern aus derselben Kollision werden π0 rekonstruiert. Mithilfe des ITS wird der primäre Vertex bestimmt, um die Verteilung der Cluster-Paare als Funktion von minv und pT anzugeben. Die potentiellen π0 werden anschließend in pT-Bereiche eingeteilt. Durch die mixed Event Methode wird der unkorrelierte Untergrund abgezogen. Das im Folgenden extrahierte π0-Signal wird parametrisiert, um die Position des peaks zu bestimmen. Ausgehend von der Parametrisierung wird der korrelierte Untergrund subtrahiert und das Signal in einem definierten Bereich um die peak-Position integriert. Man erhält ein pT abhängiges Spektrum. Das Spektrum wird sowohl für die gemessenen Daten als auch für simulierte Daten berechnet. Durch die Simulation wird eine Korrektur des Spektrums hinsichtlich der Akzeptanz des Detektors und Effizienz der Analyse-Methoden ermöglicht. Das korrigierte Spektrum wird für die Standardanalyse sowie für systematische Variationen berechnet. Aufgrund von resultierenden Unterschieden kann eine systematische Unsicherheit für das Ergebnis abgeschätzt werden. Ergebnis dieser Arbeit ist der Lorentz-invariante Yield (vgl. Abbildung 23) als Funktion von pT. Das Raw Yield wurde dazu mithilfe von Simulationen korrigiert und systematische Fehler wurden abgeschätzt. Die Messung kann mit anderen π0 Analysen verglichen werden. Für π0 Analysen können neben dem EMCal auch weitere Detektoren verwendet werden. Eine dieser Analysen verwendet eine Rekonstruktion der π0 durch konvertierte Photonen, die sogenannte Photon-Conversion-Method (PCM). Außerdem sind Analysen mit dem PHOS Kalorimeter und hybride Methoden möglich, beispielsweise PCM-EMCal.

Während den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall glaubt man, dass unser Universum aus einer heißen, dichten und stark wechselwirkenden Materie bestanden haben soll, welche man das Quark-Gluonen-Plasma (QGP) nennt. In diesem Medium sind die elementaren Bausteine der Materie, die Quarks und die Gluonen, nicht mehr in Hadronen gebunden, sondern können sich stattdessen wie quasi-freie Teilchen verhalten. Für die ALICE Kollaboration an CERN's Large Hadron Collider (LHC) ist die Untersuchung dieses Mediums eines der Hauptziele. Um dieses Medium im Labor zu erzeugen, werden Protonen und Nukleonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend zur Kollision gebracht. Dabei werden Schwerpunktsenergien von bis zu 13 TeV bei Proton-Proton (pp) Kollisionen und bis zu 5.02 TeV bei Blei-Blei (Pb--Pb) Kollisionen erreicht. Bei solchen hochenergetischen Kollisionen werden die kritischen Werte der Energiedichte und Temperatur von jeweils ungefähr 1 GeV/c und undgefähr 155 MeV überschritten, welche mithilfe von "lattice QCD" bestimmt wurden. Sie bieten daher die perfekten Voraussetzungen für einen Phasenübergang von normaler Materie zu einem QGP. Die Entwicklung eines solchen Mediums, beginnend bei der eigentlichen Kollision, gefolgt von der Ausbildung des Plasmas und der letztendlichen Hadronisierung, kann jedoch nicht direkt untersucht werden, da das Plasma eine extrem kurze Lebensdauer hat. Die Studien die das QGP untersuchen möchten, müssen sich deshalb auf Teilchenmessungen und deren Veränderung aufgrund von Einflüssen durch das Medium beschränken. Es ist noch nicht definitiv geklärt, ob sich ein QGP nur in Kollisionen schwerer Ionen bildet, oder ob dies auch in kleineren Kollisionssystemen wie Proton-Proton oder Proton-Blei der Fall ist. Damit in dieser Thesis Einschränkungen bezüglich einer möglichen Erzeugung eines mini-GQP in kleinen Kollisionssystemen gemacht werden kann, wird der Fokus auf Messungen von neutralen Pionen und Eta Mesonen mit dem ALICE Detektor am CERN LHC gesetzt. Hierfür wird in einem Referenzsystem von Proton-Proton Kollisionen bei sqrt(s)=8 TeV und in einem Proton-Blei (p--Pb) System bei sqrt(sNN)=8.16 TeV, welches eine nukleare Modifikation erfährt, gemessen und die Ergebnisse verglichen. Da in Proton-Proton Kollisionen die Bildung eines QGP, aufgrund zu geringer Energiedichte, nicht erwartet wird, dient eine Messung in diesem System als Messbasis, um Effekte der Kollision selbst von Effekten nach der Kollision zu separieren, welche die Teilchenproduktion beeinflussen. Teilchen können zusätzlich zu dem QGP auch mit kalter Kernmaterie interagieren, was sich in asymmetrischen Proton-Blei Kollisionen testen lässt. In diesem Kollisionssystem wird größtenfalls ein vergleichsweise kleines QGP gebildet, wohingegen das Blei Ion selbst als kalte Kernmaterie agieren kann. Zusätzlich zu den Mesonenmessungen wird in dieser Thesis auch die Erzeugung von direkten Photonen bei niedrigen Transversalimpulsen (pT) in multiplizitätsabhängigen p--Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sNN=5.02 TeV gemessen, welche als direkte Probe, sowie als charakteristisches Signal des QGP gilt. Die neutralen Pionen, welche in dieser Thesis gemessen werden, kann man als einen Überlagerungszustand der zwei leichtesten Quarksorten, dem "up" (u) und dem "down" (d) Quark, sowie deren entsprechenden Anti-Teilchen verstehen. Das eta meson hingegen hat einen zusätzlichen Anteil des "strange" Quarks und eine resultierende höhere Masse. Quarks sind Teil des Standardmodells der Teilchenphysik, welches die Elementarteilchen und die zwischen ihnen wirkenden Elementarkräfte, ausgeübt durch Bosonen, beschreibt. Das Modell umfasst insgesamt sechs Quarks, welche sich durch ihre Masse und Ladung unterscheiden und als Grundbestandteil von gebundenen Zuständen, sogenannten Hadronen, fungieren. Die "up" und "down" Quarks gelten hierbei als die leichtesten Quarks und kommen daher am häufigsten in der Natur vor. Das bekannteste Beipiel stellen hier die allgemein bekannten Protonen (uud) und Neutronen (udd) dar, welche die Grundkomponenten von Nukleonen sind. Die restlichen Quarks tragen eine deutlich höhere Masse und haben daher eine große Tendenz, sich in leichtere Quarks umzuwandeln, wodurch ihre Lebensdauer sehr gering ist. Die "top" und "bottom" Quarks, welche die Schwersten sind, können daher nicht in gewöhnlicher Materie gefunden werden. Sie können jedoch experimentell durch hoch energetische Teilchenkollisionen erzeugt werden und indirekt über ihre Zerfallsprodukte nachgewiesen werden. Quarks tragen eine elektrische Ladung von entweder 1/3 oder 2/3, sowie eine Farbladung, wobei Letztere verantwortlich für ihre Bindung in Hadronen ist. Hadronen bestehen entweder aus drei Quarks, dann werden sie Baryonen genannt, oder aus einem Quark-Antiquark Paar, welches Meson genannt wird. Diese gebundenen Zustände erfüllen eine insgesamt neutrale Farbladung, sowie eine vollzählige elektrische Ladung. Des Weiteren gibt es auch exotische Penta-Quark Zustände, welche aus vier Quarks und einem Antiquark bestehen und bereits experimentell nachgewiesen wurden. Aufgrund der starken Wechselwirkung, welche durch Gluonen vermittelt wird, können Quarks nicht einzeln beobachtet werden. ...