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Resistive Plate Chambers (RPCs) are gaseous parallel plate avalanche detectors that implement electrodes made from a material with a high volume resistivity between 10 high 7 and 10 high 12 omega cm. Large area RPCs with 2mm single gaps operated in avalanche mode provide above 98% efficiency and a time resolution of around 1 ns up to a flux of several kHz/cm high 2. These Trigger RPCs will, as an example, equip the muon detector system of the ATLAS experiment at CERN on an area of 3650 m high 2 and with 355.000 independent read out channels. Timing RPCs with a gas gap of 0.2 to 0.3mm are widely used in multi gap configurations and provide 99% efficiency and time resolution down to 50 ps. While their performance is comparable to existing scintillator-based Time-Of-Flight (TOF) technology, Timing RPCs feature a significantly, up to an order of magnitude, lower price per channel. They will for example equip the 176 m high 2 TOF barrel of the ALICE experiment at CERN with 160.000 independent read out cells. RPCs were originally operated in streamer mode providing large signals which simplifies readout electronics and gap uniformity requirements. However, high rate applications and detector aging issues made the operation in avalanche mode popular. This was also facilitated by the development of new highly quenching C2F4H2-based gas mixtures with small contents of SF6. While the physics of streamers is difficult to study, the avalanche mode opened the possibility for a detailed simulation of the detector physics processes in RPCs. Even though RPCs were introduced in the early eighties and have been (will be) used in experiments, there are still disagreements about the explanation of several aspects of the RPC performance. The high efficiency of single gap RPCs would require a large ionization density of the used gases, which according to some authors contradicts measurements. Even in the case of a large ionization density the gas gain has to be extremely large, in order to arrive at the observed RPC efficiency. This raises other questions: A very strong space charge effect is required to explain the observed small avalanche charges around 1 pC. Doubts have been raised whether an avalanche can progress under such extreme conditions without developing into a streamer. To overcome these difficulties, other processes, like the emission of an electron from the cathode, were suggested. Moreover, the shape of measured charge spectra of single gap RPCs differs largely from what is expected from the statistics of the primary ionization and the avalanche multiplication. In this thesis we discuss the detector physics processes of RPCs, from the primary ionization and the avalanche statistics to the signal induction and the read out electronics. We present Monte-Carlo simulation procedures that implement the described processes. While the fundament of the described model and some results were already published elsewhere [1], the subject of this thesis is the implementation of the space charge effect. We present analytic formulas for the electrostatic potential of a point charge in the gas gap of an RPC. These formulas were developed in collaboration with the University of Graz [2] and were published in [3, 4]. The simulation model presented in [1] is completed by the dynamic calculation of the space charge field using these formulas. Since the gas parameters like drift velocity and the Townsend and attachment coefficients depend on the electric field, they are calculated dynamically as well. The functional dependence of these parameters on the field is obtained with the simulation programs MAGBOLTZ and IMONTE. For the primary ionization parameters, we use the values that are predicted by the program HEED. While the described procedure only simulates the longitudinal avalanche development towards the anode of the RPC, we also present more dimensional models that allow a careful study of the transverse repulsive and attractive forces of the space charge fields, and of the consequences for the avalanche propagation. We shall show that the efficiencies of single gap Timing RPCs is indeed explained by the high primary ionization density (about 9.5 /cm as predicted by HEED) and a large effective Townsend coefficient (around 113 /mm as predicted by IMONTE). We show that the space charge field reaches the same magnitude as the applied electric field in avalanches at large gas gain. This strong space charge effect effectively suppresses large values for the avalanche charges. The shape of the simulated charge spectra is very similar to the measurements. Also the simulated average charges are close to the experimental results. RPCs are operated in a strong space charge regime over a large range of applied voltage, contrary to wire chambers. We apply only standard detector physics simulations to RPCs. The performance of Timing and Trigger RPCs is well reproduced by our simulations. The results concerning the space charge effect were presented and discussed at the 'RPC 2001' workshop [5] and on the '2002 NSS/MIC' conference [6].
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.
The HADES (High Acceptance DiElectron Spectrometer) is an experimental
apparatus installed at the heavy-ion synchrotron SIS-18 at GSI, Darmstadt.
The main physics motivation of the HADES experiment is the measurement
of e+e− pairs in the invariant-mass range up to 1 GeV/c2 in heavy-ion collisions
as well as in pion and proton-induced reactions.
The HADES physics program is focused on in-medium properties of the light
vector mesons ρ(770), ω(783) and φ(1020), which decay with a small branching
ratio into dileptons. Dileptons are penetrating probes which allow to study
the in-medium properties of hadrons. However, in heavy-ion collisions, the
measurement of such lepton pairs is difficult because they are rare and have a
very large combinatorial background.
Recently, HADES has been upgraded with new detectors and new electronics
in order to handle higher intensity beams and reactions with heavy nuclei up
to Au.
HADES will continue for a few more years its rich physics program at its
current place at SIS-18 and then move to the upcoming international Facility
for Antiproton and Ion Research (FAIR) accelerator complex. In this context
the physics results presented in this work are important prerequisites for the investigation
of in-medium vector meson properties in p + A and A+A collisions.
This work consists of five chapters. The first chapter introduces the physics
motivation and a review of recent physics results. In the second chapter, the
HADES spectrometer is described and its sub-detectors are presented. Chapter
three deals with the issue of lepton identification and the reconstruction of
the dielectron spectra in p + p collisions is presented. Here, two reactions
are characterized: inclusive and exclusive dilepton production reactions. From
the spectra obtained, the corresponding cross sections are presented with the
respective statistical and systematical errors. A comparison with theoretical
models is included as well. Conclusions are given in chapter four.
The final part of this work is dedicated to the HADES upgrade, whose goal
is among others the achievement of a reliable and fast data acquisition of the
Multiwire Drift Chambers (MDCs). Chapter five presents my contribution to
this successful project during the three years of my stay at GSI.
Ein wesentlicher Forschungsgegenstand der Kernphysik ist die Untersuchung der Eigenschaften von Kernmaterie. Das Verständnis darüber gibt in Teilen Aufschluss über die Erscheinungsweise und Wechselwirkung von Materie. Ein Schlüssel liegt dabei in der Untersuchung der Modifikation der Eigenschaften von Hadronen in dem Medium Kernmaterie, das durch Parameter wie Dichte und Temperatur gekennzeichnet werden kann. Man hofft damit unter anderem Einblick in die Mechanismen zu bekommen, welche zur Massenbildung der Hadronen beitragen. Zur Untersuchung solcher Modifikationen eignen sich insbesondere Vektormesonen, die in e+e- Paare zerfallen. Die Leptonen dieser Paare wechselwirken nicht mehr stark mit der Materie innerhalb der Reaktionszone, und tragen somit wichtige Informationen ungestört nach außen. Das HADES-Spektrometer bei GSI wird dazu verwendet die leichten bei SIS-Energien produzierten Vektormesonen rho, omega und phi zu vermessen. Hierzu wurde zum erste mal das mittelschwere Stoßsystem Ar+KCl bei einer Strahlenergie von 1,76 AGeV gemessen. Die im Vergleich zum früher untersuchten System C+C höhere Spurmultiplizität innerhalb der Spektrometerakzeptanz verlangte eine Anpassung der bisher verwendeten Datenanalyse. Das bisher verwendete Verfahren, mehrere scharfe Schnitte auf verschiedene Observablen seriell anzuwenden, um einzelne Leptonspuren als solche zu identifizieren, wurde durch eine neu entwickelte multivariate Analyse ersetzt. Dabei werden die Informationen aller beteiligten Observablen mit Hilfe eines Algorithmus zeitgleich zusammengeführt, damit Elektronen und Positronen vom hadronischen Untergrund getrennt werden können. Durch Untersuchung mehrerer Klassifizierer konnte ein mehrschichtiges künstliches neuronalen Netz als am besten geeigneter Algorithmus identifiziert werden. Diese Art der Analyse hat den Vorteil, dass sie viel robuster gegenüber Fluktuationen in einzelnen Observablen ist, und sich somit die Effizienz bei gleicher Reinheit steigern lässt. Die Rekonstruktion von Teilchenspuren im HADES-Spektrometer basiert nur auf wenigen Ortsinformationen. Daher können einzelne vollständige Spuren a priori nicht als solche gleich erkannt werden. Vielmehr werden durch verschiedene Kombinationen innerhalb derselben Mannigfaltigkeit von Positionspunkten mehr Spuren zusammengesetzt, als ursprünglich produziert wurden. Zur Identifikation des maximalen Satzes eindeutiger Spuren eines Ereignisses wurde eine neue Methode der Spurselektion entwickelt. Während dieser Prozedur werden Informationen gewonnen, die im weiteren Verlauf der Analyse zur Detektion von Konversions- und pi0-Dalitz-Paaren genutzt werden, die einen großen Beitrag zum kombinatorischen Untergrund darstellen. Als Ergebnis wird das effizienzkorrigierte, und auf die mittlere Zahl der Pionen pro Ereignis normierte, Spektrum der invarianten Elektronpaarmasse präsentiert. Erste Vergleiche mit der konventionellen Analysemethode zeigen dabei eine um etwa 30% erhöhte Rekonstruktionseffizienz. Das Massenspektrum setzt sich aus mehr als 114.000 Paaren zusammen -- über 16.000 davon mit einer Masse größer als 150 MeV. Ein erster Vergleich mit einem einfachen thermischen Modell, welches durch den Ereignisgenerator Pluto dargestellt wird, eröffnet die Möglichkeit, die hier gefundenen Produktionsraten des omega- und phi-Mesons durch m_T-Skalierung an die durch andere Experimente ermittelten Raten des eta zu koppeln. In diesem Zusammenhang findet sich weiterhin ein von der Einschussenergie abhängiger Produktionsüberschluss von F(1,76) = Y_total/Y_PLUTO = 5,3 im Massenbereich M = 0,15...0,5 GeV/c^2. Die theoretische Erklärung dieses Überschusses birgt neue Erkenntnisse zu den in-Medium Eigenschaften von Hadronen.
Ultrarelativistische Schwerionenstöße werden seit etwa 15 Jahren untersucht, um Kernmaterie unter extremen Bedingungen zu erforschen; in Kollisionen schwerer Atomkerne kann bei hohen Einschußenergien Kernmaterie stark komprimiert und aufgeheizt werden. Die Bedeutung dieser Experimente wird durch Berechnungen der Quanten-Chromo-Dynamik auf raumzeitlichen Gittern hervorgehoben, die bei ausreichend hoher Energiedichte eine Phase voraussagen, in der die Quarks nicht mehr in Hadronen gebunden sind, sondern zusammen mit den Gluonen ein partonisches System ausbilden. Ist das System hinreichend groß und equilibriert, wird es als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet. Die als Signatur für das Überschreiten der Phasengrenze vorgeschlagene erhöhte Produktion Seltsamkeit tragender Teilchen wurde in der Gegenüberstellung von elementaren Proton+Proton-Interaktionen und Kern+Kern-Stößen experimentell über einen weiten Energiebereich bestätigt. Eine solche Überhöhung kann aber auch durch rein hadronische Phänomene hervorgerufen werden. So tritt beispielsweise in statistischen Modellen bereits in einem Hadrongas eine Seltsamkeitserhöhung aufgrund des Übergangs von einem kanonischen zu einem großkanonischen Ensemble mit steigender Systemgröße in Kern+Kern-Stößen auf. Das motivierte die Messung der Systemgrößenabhängigkeit der Seltsamkeitsproduktion bei einer Einschußenergie, bei der in den Stößen der größten Kerne die partonische Phase erreicht werden sollte, während Proton-Proton-Interaktionen überlicherweise als hadronische Systeme betrachtet werden. In Kollisionen von Kohlenstoff- und Siliziumkernen bei 158 GeV pro Nukleon, deren Untersuchung Gegenstand dieser Arbeit ist, kann möglicherweise die Umgebung der Phasengrenze abgetastet werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Frage nach dem Mechanismus der Seltsamkeitsproduktion in diesen Reaktionen. Das Experiment wurde am SPS-Beschleuniger am CERN in Genf durchgeführt, erstmals wurden dort leichte Projektilkerne durch den Aufbruch des primären Bleistrahls an einem Produktionstarget erzeugt. Das Herzstück des NA49-Spektrometers, mit dem die Daten aufgezeichnet wurden, sind die vier großvolumigen Spurendriftkammern, die die große Akzeptanz ermöglichen. Die Lambda- und Antilambda-Hyperonen aus C+C und Si+Si Kollisionen werden anhand ihrer Zerfallstopologie rekonstruiert und ihre Impulsverteilungen über einen weiten Bereich gemessen; mit zusätzlichen Annahmen werden schließlich die totalen Multiplizitäten extrapoliert. Die Produktion der Hyperonen pro Pion ist im Vergleich zu p+p-Daten bereits in C+C-Reaktionen deutlich erhöht, in Si+Si--Kollisionen ist annähernd der Wert aus Pb+Pb-Stößen erreicht. Mehrere Ursachen für diese Beobachtung werden diskutiert und mögliche Interpretationen vorgeschlagen. Der Grad an chemischer Equilibration und die Lage des Ausfrierpunktes im Phasendiagramm und im Vergleich zu anderen Stoßsystemen wird besprochen. Die Rapiditätsspektren der Lambda-Hyperonen entsprechen zunehmendem Stopping mit steigender Anzahl von Stößen pro Nukleon. Dadurch wird die Energie pro Nukleon im Feuerball erhöht, was zunehmende kinetische Energie der Teilchen und eine ansteigende Teilchenproduktion erzeugt. Die Verbreiterung der Transversalimpulsspektren mit der Systemgröße fügt sich in der Tat in das Bild anwachsenden radialen Flußes ein.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Produktion positiv und negativ geladener Pionen im System Au+Au bei einer kinetischen Strahlenergie von 1,5 GeV pro Nukleon. Diese Daten wurden im Juli 1998 mit dem Kaonenspektrometer KaoS gemessen. Es liegen Pi-Minus-Spektren bei drei verschiedenen Laborwinkeln (Theta Lab = 40°, 48°, 60°) vor sowie Pi-Plus-Spektren bei fünf Laborwinkeln(Theta Lab = 32°, 40°, 48°, 60°, 71,5°). Die Spektren können als Funktion der Energie im Nukleon-Nukleon-Schwerpunktssystem mit der Summe zweier Boltzmannverteilungen beschrieben werden, deren Steigung sich ebenso wie der unter Annahme isotroper Emission im Schwerpunktssytem integrierte Wirkungsquerschnitt mit dem Laborwinkel ändert. Als mögliche Ursache dieses Verhaltens wird untersucht, ob eine polare Anisotropie der Emission vorliegt. Eine solche wurde in früheren Experimenten [49, 50] für die Pionenproduktion in Proton-Proton-Stößen gefunden und als Effekt der p-Wellen-Produktion von Pionen interpretiert, bei der als Zwischenschritt eine Resonanz, zumeist eine Delta-Resonanz, angeregt wird. Die Zerfallskinematik dieser Resonanzen bewirkt duch ihren Drehimpuls eine Winkelverteilung der emittierten Pionen [24]. In Kern-Kern-Stößen führt die Abschattung von Pionen durch nicht an der Reaktion teilnehmende Nukleonen zu einer zusätzlichen Richtungsabhängigkeit der Emission. Unter der Annahme, daß Energie- und Winkelabhängigkeit separierbar sind, wird in einem einfachen Modell der Winkelanteil des differentiellen Wirkungsquerschnitts als Funktion des Kosinus des Schwerpunktswinkels mit einer Parabelform beschrieben. Um den Anpassungsparameter a2, der die Stäke der Anisotropie quantifiziert, zu ermitteln, stehen zwei Methoden zur Verfügung, die simultane Anpassung der bei festem Laborwinkel gemessenen Spektren und der Vergleich mit einer durch Schnitte durch die Laborimpulsspektren erzeugten Verteilung bei Theta cm = 90°. Beide Verfahren ermitteln erfolgreich den Anisotropieparameter aus in einer Monte-Carlo-Simulation erzeugten Spektren mit parabelförmiger Winkelverteilung. Die mit beiden Methoden ermittelten a2-Werte stimmen für Pi+ wie für Pi- im Rahmen der Fehler überein. Die Winkelverteilung der Pi+ ist mit a2 = 0,7 +- 0,1 stärker ausgeprägt als die der Pi- mit a2 = 0,4 +- 0,1, beide werden bevorzugt unter Theta cm = 0° und Theta cm = 180° emittiert. Allerdings zeigt sich in beiden Methoden eine starke Abhängigkeit von der Phasenraumabdeckung der Daten und beide sind nicht geeignet, eine Abhängigkeit des Anisotropieparameters von der Pionenenergie zu ermitteln....
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden am Schwerionensynchrotron (SIS) der Gesellschaft für Schwerionenforschung/Darmstadt (GSI) Untersuchungen zur Produktion geladener K-Mesonen in Kohlenstoff induzierten Schwerionenreaktionen durchgeführt. Im Energiebereich von 1 bis 2 AGeV wurden dazu spektrale Verteilungen von Pionen, Kaonen und Antikaonen aus Kernreaktionen der Stoßsysteme C + C und C + Au unter verschiedenen Laborwinkelbereichen mit dem Kaon-Spektrometer (KaoS) aufgenommen. Da es sich um Kaonproduktion unterhalb der Nukleon-Nukleon-Schwelle handelt, spielen Eigenschaften der Kernmaterie eine Rolle, die Gegenstand dieser Arbeit sind. Sowohl für Kaonen als auch für Antikaonen wurde eine polare Anisotropie der Winkelverteilung festgestellt. Die unter verschiedenen Laborwinkelbereichen aufgenommenen K+- -Spektren decken im Schwerpunktsystem einen Winkelbereich von 60 Grad < Theta CM < 150 Grad ab und lassen sich gut durch eine Winkelverteilung der Form sigma inv alpha (1 + a2 cos exp 2 Theta CM) beschreiben. Im Rahmen der Meßgenauigkeit konnte keine Abhängigkeit der polaren Anisotropie von der kinetischen Energie der Kaonen und Antikaonen festgestellt werden. Es lässt sich jedoch zeigen, dass es von der Einschussenergie abhängig eine Winkeleinstellung gibt, bei der der totale Wirkungsquerschnitt vom Anisotropieparameter a2 unabhängig bestimmt werden kann, wenn die oben angegebene Parametrisierung der wahren Winkelverteilung genügt. Die Anregungsfunktion sigma K+- (E Beam) für Antikaonen ist steiler als die für Kaonen, jedoch lassen sich beide Produktionswirkungsquerschnitte als Funktion der Differenz aus der pro Nukleon normierten Gesamtenergie und der Energie an der NN-Schwelle durch sigma K alpha (mK + sqrt s - sqrt s th) beschreiben. Es konnte gezeigt werden, dass sich dieses identische Verhalten der derart auf die Excess-Energie korrigierten Kaon- und Antikaonproduktion jedoch nicht nur in den totalen Wirkungsquerschnitten, sondern auch in der Form der spektralen Verteilungen widerspiegelt. Ebenso scheinen die pro Partizipant normierten K+- -Multiplizitäten bei gleicher Excess-Energie gleichermaßen stark von der Größe des Stoßsystems abzuhängen. Das etwa um einen Faktor 10 erhöhte K-/K+-Verhältnis im Vergleich zur K+- -Produktion in Proton-Proton-Stößen konnte nicht durch triviale Mediumeffekte wie Absorption oder sequentielle Mehrfachstöße erklärt werden. Dies kann als Hinweis auf eine eventuelle Modifikation der effektiven K+- -Massen in dichter Materie verstanden werden, wie sie die theoretische Hadronenphysik auf der Basis von QCD und chiraler Störungstheorie vorhersagt. Das benutzte relativistische RBUU-Modell kann die gemessenen Kaon- und Antikaonverteilungen nur unter der Annahme solcher Massenmodifikationen erklären. Die K- -Massenmodifikation hat interessante Konsequenzen für die Astrophysik und stellt somit eine Verbindung zu einem weiteren faszinierenden Teilgebiet der modernen Physik dar. Aufgrund der K- -Massenmodifikation erwarten G. E. Brown und H. A. Bethe ein Kaonkondensat in Neutronensternen ab einer Dichte von rho ~ 3 rho 0. Dies limitiert die Masse von Neutronensternen auf etwa 1.5 M ?. Für Supernovaüberreste von mehr als 1.5 M ?. erwarten sie die Bildung von schwarzen Löchern. Für das asymmetrische Stoßsystem 12C + 197 Au kann das Schwerpunktsystem nur berechnet werden, wenn z. B. mit dem geometrischen Modell mittlere Projektil- und Targetpartizipantenanzahlen (< A Projectile part >= 6 bzw. < A Target part >= 16 ) angenommen werden. Die damit ermittelten Wirkungsquerschnitte deuten auf eine stärkere polare Anisotropie als für das 12C + 12C-System hin. Wird aus der in symmetrischen Stößen gemessenen Abhängigkeit der K+- -Produktion von der Systemgröße die Anzahl der Partizipanten im 12C + 197Au-System ermittelt, so stimmt diese für K+ mit den Vorhersagen des geometrischen Modells in etwa überein, für K- werden hingegen nur halbsoviel Partizipanten ermittelt. Dies deutet auf eine starke K- -Absorption in der Targetspektatormaterie hin. Abschließend sei noch angemerk, dass die KaoS-Kollaboration bereits weitere Messungen zur K+- -Produktion in den Stoßsystemen Ni+Ni und Au+Au sowie in asymmetrische, protoninduzierten p + A Reaktionen durchgefüuhrt hat. Nach dem innerhalb der nächsten zwei Jahre zu erwartenden Abschluss der Analyse dieser Daten liegt somit eine systematische Studie der K+- -Produktion unterhalb der NN-Schwelle vor, die einen maßgeblichen Beitrag zum Studium der Eigenschaften von Hadronen in dichter Kernmaterie und zum Verhalten von Kernmaterie unter extremen Bedingungen liefern wird.
In der vorliegenden Arbeit wird das Auslesekonzept der Driftkammern untersucht und seine Integration in das HADES Datenaufnahmesystem beschrieben. Bedingt durch das mehrstufige Triggersystem und die hohen Anforderungen an die Geschwindigkeit des Systems wurden Methoden zur Datenreduktion entwickelt. Dadurch ist es möglich, die Daten von allen 27 000 Kanälen innerhalb von 10 µs nach dem Trigger auszulesen. Die Daten werden innerhalb von ungefähr 40 ns nach dem Signal der zweiten Triggerstufe weitertransportiert. Im Rahmen der Untersuchungen zur Überwachung der Driftkammerdaten, die im zweiten Teil der Arbeit beschrieben werden, wurde mit der verwendeten Methode zur Bestimmung der intrinsischen Auflösung eine deutliche Verschlechterung Auflösung der Kammern festgestellt, von 120 µm im November 2001 auf über 200 µm im September 2003. Als Ursache hierfür wurde zum einen die geänderte Kalibrationsmethode ausgemacht, die die Laufzeiten der Signale nicht mehr berücksichtigt, zum anderen eine Änderung der Driftgeschwindigkeit aufgrund einer nicht optimalen Hochspannung. Die Methode zur Bestimmung des physikalischen Zentrums der Kammern erlaubt eine Aussage über die Position der Kammern relativ zur Sollposition. Die dabei gefundenen Verschiebungen entlang der z - Achse stimmen für einen Teil der Sektoren mit den im Rahmen des Alignments ermittelten Werten für die Verschiebung des Targets überein. Für die anderen Sektoren ergeben sich zusätzlicher Verschiebungen um 2 bis 6 cm. Das Di - Leptonen - Spektrometer HADES (High Acceptance Di -Elektron-Spektrometer) am Schwerionensynchrotron der Gesellschaft für Schwerionenforschung (Darmstadt) beginnt nun mit detaillierten Studien leptonischer Zerfälle von Vektormesonen in Kern - Kern - Stößen mit Projektilenergien von 1 bis 2 GeV / Nukleon. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung von Zerfällen, die in der Phase hoher Dichte (ungefähr 3 · p..0) und hoher Temperatur stattfinden. Es wird erwartet, daß sich aus der dabei zu beobachtenden Massenverteilung der unterhalb der Schwelle produzierten leichten Vektormesonen r, o und ph ein Hinweis auf die partielle Wiederherstellung der im Vakuum gebrochenen chiralen Symmetrie ergibt.
Diese Arbeit befaßt sich mit der Untersuchung des Emissionsverhaltens der K+ Mesonen in Au + Au Stößen bei 1AGeV. Das Experiment wurde mit dem Kaonen-Spektrometer KaoS am Schwerionensynchrotron SIS der Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI durchgeführt. In zahlreichen Untersuchungen relativistischer Schwerionenstöße wurde eine kollektive Bewegung der Nukleonen beobachtet, die als Fluß bezeichnet wird. In nichtzentralen Stößen wurde u. a. ein gerichteter Seitwärtsfluß der Nukleonen und Pionen in die Reaktionsebene und ein elliptischer Fluß senkrecht zur Reaktionsebene gefunden. Der Nukleonenfluß wird als hydrodynamischer Effekt aufgrund des Drucks in der Reaktionszone interpretiert, während der Fluß der Pionen als Folge der Endzustandswechselwirkung verstanden wird. In dieser Arbeit wurde die Untersuchung des Flußphänomens auf die positiv geladenen Kaonen erweitert. Die Kaonen, die ein seltsames Quark enthalten, stellen eine besonders geeignete Sonde der dichten Reaktionszone dar. Wegen der großen mittleren freien Wegläange sollten die Kaonen fast ungestört nach außen emittiert werden. Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden die spektralen Energieverteilungen und die azimutalen Winkelverteilungen studiert. Um diese in Abhängigkeit von der Zentralität der Schwerionenreaktion zu untersuchen, wurden Stoßparameter und Anzahl der partizipierenden Nukleonen experimentell bestimmt. Dazu wurden die mit dem Großwinkel-Hodoskop bestimmte Teilchenmultiplizität und die mit dem Kleinwinkel-Hodoskop bestimmte Ladungssumme der Projektilspektatoren benutzt. Der Nachweis der Projektilspektatoren mit dem Kleinwinkel-Hodoskop erlaubt ferner, für jedes Ereignis die Reaktionsebene einer Schwerionenreaktion zu bestimmen. Der Emissionswinkel der positiv geladenen Kaonen konnte dann in Bezug auf die Reaktionsebene untersucht werden. Die Energiespektren der Kaonen, die bei Theta CM ~ 90° und Theta QCM ~ 130° in zentralen Stößen gemessen wurden, haben einen Steigungsparameter (Temperatur) von etwa 87MeV. Die transversalen kinetischen Energiespektren bei vier verschiedenen Rapiditätsintervallen in zentralen Stößen haben einen Steigungsparameter von etwa 90MeV und keine Abweichung von einem thermischen Verhalten innerhalb der Meßgenauigkeit. Die Ausbeuten sind dagegen unterschiedlich. Bei R¨uckw ¨ artswinkel bzw. bei Targetrapidität wurde ein fast doppelt so großer Wirkungsquerschnitt wie bei Schwerpunktrapidität gemessen. Die polare Winkelverteilung der positiv geladenen Kaonen ist also nicht isotrop. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal der elliptische Fluß der positiv geladenen Kaonen nachgewiesen werden: K+ Mesonen werden bevorzugt senkrecht zur Reaktionsebene emittiert. Die azimutale Anisotropie ist am stärksten für periphere und semi-zentrale Stöße und im Bereich der Schwerpunktrapidität. Im Gegensatz zu den Pionen zeigt die Stärke der Anisotropie keine Abhängigkeit vom Transversalimpuls. Während im Falle der Pionen die azimutale Anisotropie auf die Abschattung durch die Spektatoren zurückgeführt wird, kann dieser Effekt die Kaonendaten nicht erklären, da die K+ Mesonen eine große mittlere freie Weglänge in Kernmaterie besitzen. Mikroskopische Transportmodellrechnungen wie RBUU und QMD können den elliptischen Fluß der Kaonen nur unter Berücksichtigung des Kaon-Nukleon-Potentials im nuklearen Medium wiedergeben [Li97, Wan98a]. Als ein anderer experimenteller Hinweis auf das KN-Potential im Medium wurde das Verschwinden des gerichteten Seitwärtsflusses der Kaonen vorhergesagt [Li95a]. Die Analyse der experimentellen Daten in einem Rapiditätsintervall von y/yStrahl = 0:2 ~ 0:8 zeigt keine in die Reaktionsebene gerichtete Flußkomponente.
Zielsetzung der ultrarelativistischen Schwerionenphysik ist es, hoch verdichtete und stark erhitzte Kernmaterie (gemeint ist hierbei nicht nur die Materie der Atomkerne, sondern allgemein stark wechselwirkende Materie) im Labor zu erzeugen und deren Eigenschaften zu untersuchen. Gitter-QCD Rechnungen sagen bei einer kritischen Energiedichte von 1-2 GeV/fm3 einen Übergang der hadronischen Materie in eine partonische Phase, dem Quark-Gluon-Plasma, voraus. Neben anderen Observablen wurde die Seltsamkeitsproduktion als mögliche Signatur für den Materiezustand quasifreier Quarks und Gluonen vorgeschlagen. Im Vergleich zu elementaren Nukleon-Nukleon-Reaktionen beobachtet man in Schwerionenkollisionen generell eine Überhöhung der Seltsamkeitsproduktion. Inwieweit dieser Unterschied bei allen Schwerpunktenergie auf rein hadronische Phänomene zurückgeführt werden kann, oder ob partonische Gleichgewichtseffekte eine wesentliche Rolle spielen, ist derzeit eines der wichtigen Themen der Schwerionenphysik. Antworten auf diese Fragen erhofft man sich aus der Untersuchung der Energieabhängigkeit der Erzeugung seltsamer Hadronen. Die NA49 Kollaboration hat deshalb am CERN-SPS ein Energie-Scan Programm aufgelegt, in dem zentrale Blei-Blei-Kollisionen bei 40, 80 und 158 A·GeV untersucht wurden. In dieser Arbeit wird die Produktion von Lambda und Antilambda Hyperonen bei den drei verschiedenen Strahlenergien untersucht. Lambda Hyperonen, die 30-60% der produzierten s-Quarks enthalten, erlauben neben der Seltsamkeitsproduktion gleichzeitig auch den durch die kollidierenden Kerne erzeugten Effekt der Baryonendichte zu studieren. Das NA49 Experiment führt präzise Messungen des hadronischen Endzustands über einen weiten Akzeptanzbereich durch. Die geladenen Sekundärteilchen werden in vier hochauflösenden Spurdriftkammern gemessen. Neutrale seltsame Teilchen (Lambda, Antilambda und K0s) werden anhand ihrer Zerfallstopologie identifiziert. Die untersuchten Lambda Hyperonen werden über drei Rapiditätseinheiten um den Bereich zentraler Rapidität und mit Transversalimpulsen von 0,4 und 2,5 GeV/c gemessen. Die Temperaturparameter der Lambda und Antilambda Transversalimpulsverteilungen bei zentraler Rapidität sind für die drei Energien im Rahmen der Fehler gleich. Als Funktion der Schwerpunktenergie beobachtet man einen Anstieg des Lambda-Temperaturparameters, was durch eine Erhöhung des kollektiven transversalen Flusses erklärt werden kann. Erste Ergebnisse zur Proton-Produktion zeigen einen ähnlichen Trend. Die Rapiditätsverteilungen der Lambda sind breiter als die der Antilambda-Hyperonen. Die Lambda Rapiditätsverteilung verbreitert sich mit ansteigender Schwerpunktenergie von einer bei zentraler Rapidität konzentrierten Verteilung bei 40 A·GeV zu einem flachen Verlauf bei 158 A·GeV. Die Lambdas enthalten Beiträge der extrem kurzlebigen Sigma 0, die elektromagnetisch in ein Lambda und ein Photon zerfallen. Die in der Analyse selektierten Lambda und Antilambda sind aufgrund der gewählten Qualitätskriterien nahezu frei von Beiträgen mehrfachseltsamer Baryonen. Der systematische Fehler der Spektren konnte zu 9% abgeschätzt werden. Die Korrekturen und die Analyseprozedur wurden durch die Extraktion des K0s Mesons bei 158 A·GeV und den Vergleich dieser Ergebnisse mit denen der geladenen Kaonen überprüft. Man stellt eine gute Übereinstimmung fest. Zusammen mit Ergebnissen bei niedrigeren Energien läßt sich die Anregungsfunktion der Lambda und AntiLambda Hyperonen studieren. Während die Lambda Multiplizität bei mittlerer Rapidität nach dem Anstieg bei niedrigen Energien im SPS-Energiebereich leicht abfällt bzw. die totale Multiplizität saturiert, beobachtet man für die AntiLambda einen stetigen Anstieg als Funktion der Schwerpunktenergie. Das <Lambda>/<Pi>-Verhältnis in Kern-Kern-Kollisionen zeigt einen steilen Anstieg im AGS-Energiebereich mit anschließendem Maximum und einem Abfall bei SPS-Energien. Dagegen beobachtet man in Nukleon-Nukleon-Reaktionen eine Saturation dieses Verhältnisses bei etwa der höchsten AGS-Energie. Die Normierung auf die Pionen dient dem Vergleich der Produktionsraten in Kern-Kern-Stößen mit denen der elementaren Systeme und ist unabhängig von der Anzahl der beteiligten Nukleonen. Das Maximum des Lambda/Pi Verhältnisses liegt zwischen 10 und 40 A·GeV, wie es von statistischen Modellen vorhergesagt wird. Die Energieabhängigkeit des Lambda/Pi-Verhältnisses läßt sich dementsprechend gut mit dem Statistischen Modell von Cleymans, Redlich et al. beschreiben. Der generelle Trend des Lambda/Pi Verhältnisses wird von den mikroskopischen Modellen (UrQMD, HSD, RQMD) richtig wiedergegeben, wobei jedoch die Datenpunkte (besonders für 40 A·GeV) unterschätzt werden. Die Vorhersagen des UrQMD- und HSD-Modells für die Lambda Rapiditätsverteilung zeigen sehr gute Übereinstimmung mit den Daten. Die Diskrepanz im Lambda/Pi Verhältnis ist somit auf die überschätzte Pion-Produktion zurückzuführen. Die AntiLambda Produktion wird von dem UrQMD- und RQMD-Modell um mehr als einen Faktor zwei unterschätzt. Die Lambda und Antilambda Produktionsraten für alle drei Energien und die totale K0s Multiplizität bei 158 A·GeV fügen sich in einer statistischen Modellanalyse von Becattini in die Systematik der anderen Teilchen ein. Der Seltsamkeits-Saturationsfaktor gamma s zeigt keine große Änderung als Funktion der Energie. Das AntiLambda/Lambda Verhältnis bei mittlerer Rapidität, das den Paarproduktionsprozess widerspiegelt, steigt rapide von AGS- bis RHIC-Energien an. Der gleiche Trend ist für das ¯p/p Verhältnis beobachtbar. Das AntiLambda/¯p Verhältnis erlaubt das Zusammenspiel der Produktions und Annihilationsprozesse zu studieren. Im SPS-Energiebereich steigt dieses Verhältnis mit abnehmender Schwerpunktenergie leicht an. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit wurden auf der Strange-Quark-Matter Konferenz 2001 [1] und der Quark-Matter Konferenz 2002 [2] vorgestellt und diskutiert.
