Azimuthal correlations of high-_1tnp_1tnT photons and hadrons in Au+Au collisions at STAR [Elektronische Ressource] / von Thomas Dietel

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• Publié par: goethe_universitat_frankfurt_am_main
• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Azimuthal Correlations
of High-p Photons and HadronsT
in Au+Au Collisions at STAR
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Physik
der Johann-Wolfgang-Goethe-Universita¨t
in Frankfurt am Main
von
Thomas Dietel
aus Ansbach
Frankfurt am Main, 2006
(D F 1)Vom Fachbereich Physik der
Johann Wolfgang Goethe-Universit¨at als Dissertation angenommen.
Dekan: Prof. Dr. Wolf Aßmus
Gutachter: Prof. Dr. Dr. h.c. Reinhard Stock
Prof. Dr. Harald Appelsh¨auser
Datum der Disputation:Zusammenfassung
Diese Arbeit untersucht azimuthale Korrelationen von Photonen und geladenen Hadro-
nen mit hohem Transversalimpuls in Kollisionen von zwei Goldkernen bei einer Schwer-√
punktsenergie von s = 200GeV. Die Daten wurden mit dem STAR-Experiment amNN
Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) aufgezeichnet.
Kernmaterie, die unter normalen Bedingungen in Form von Protonen und Neutronen vor-
kommt, durchl¨auft bei hohen Temperaturen und Dichten einen Phasenu¨bergang, bei dem
die hadronischen Freiheitsgrade des Systems durch partonische ersetzt werden: die Nu-
kleonen schmelzen“ und setzen die in ihnen enthaltenen Quarks und Gluonen frei. Dieses
”
Medium aus freien Partonen wird Quark-Gluon-Plasma (QGP) genannt, und kommt in
derNaturnurunterextremenBedingungenwiebeiderEntstehungdesUniversumsundim
Inneren von Neutronensternen vor. Man geht davon aus, dass Beschleuniger der neuesten
Generation in der Lage sind, diese extreme Form von Materie auch im Labor zu erzeugen,
indem Atomkerne bei relativistischen Energien zur Kollision gebracht werden. Um die fu¨r
einthermodynamischesSystemnotwendigeTeilchenzahlzuerhalten,sindKernemithoher
Nukleonenzahl wie Blei oder Gold notwendig. Die Kernmaterie wird durch eine Vielzahl
von Kollisionen der Partonen der Projektile stark erhitzt und komprimiert. Die Energie-
dichte reicht dann nach theoretischen Voraussagen aus, um die Bindungen der Nukleonen
aufzubrechen und ein QGP zu erzeugen. Aufgrund des hohen Druckes und der Tempe-
ratur expandiert das Medium und kuhlt so ab. Fallt die Temperatur des QGP unter die¨ ¨
kritischeTemperaturdesPhasenu¨berganges,sowerdendieQuarksundGluonenwiederzu
Hadronen kombiniert, die zuerst als heißes Hadronengas expandieren und dann als freie,
¨nicht mehr wechselwirkende Teilchen den Kollisionsbereich verlassen. Ein Uberblick u¨ber
Schwerionenphysik ist in Kapitel 1 zu finden.
Kapitel 2 vertieft dann einen Teilbereich der Schwerionenphysik, die Produktion harter
Proben und hier insbesondere Korrelationen zwischen Teilchen mit hohem Transversa-
limpuls. Diese Teilchen ko¨nnen nur in den ersten, sehr harten Kollisionen von Partonen
der Projektilkerne entstehen, da in spateren Wechselwirkungen die Energie nicht mehr¨
ausreicht, um solch hochenergetische Teilchen zu erzeugen. Der Produktionsmechanismus
dieser Teilchen kann mit der Quantenchromodynamik (QCD) beschrieben werden und
stimmt gut mit Messungen in Proton-Proton-Kollisionen uberein. Die QCD beschreibt¨
diese Hadronkollisionen als Kollisionen einzelner Partonen. Obwohl diese Partonen in den
Nukleonen gefangen sind, verhalten sie sich bei hohen Impulsubertragen wie freie, unge-¨ ¨
bundene Teilchen, ein Pha¨nomen, das als asymptotische Freiheit bekannt ist. Die Parton-
iiiParton-Kollisionen k¨onnen mitHilfe von Feynman-Diagrammen im Rahmen quantenchro-
modynamischerStorungsrechnungenbeschriebenwerden.Typischerweisewerdenindiesen¨
Kollisionen Paare von Quarks oder Gluonen mit hohem Transversalimpuls erzeugt, die al-
lerdings nicht direkt beobachtbar sind, sondern in eine Gruppe von Hadronen, einen so
genannten Jet, fragmentieren. Durch die Messung aller Teilchen eines Jets k¨onnen die ki-
netischenEigenschaftendesursprunglichenPartonsrekonstruiertwerden.IneinigenFallen¨ ¨
werden allerdings anstatt zweier Partonen ein Photon und ein Quark oder Gluon erzeugt.
Da die Produktion dieser Teilchen mit hohem Transversalimpuls sehr gut verstanden ist,
eignen sie sich gut zur Untersuchung der heißen und dichten Materie, die in Schwerio-
nenkollisionen erzeugt wird. Wechselwirkungen zwischen Jets und dem Medium spiegeln
die Eigenschaften des heißen Mediums wider und fu¨hren zu einer Modifikation der Pro-
duktion von Teilchen mit hohem Transversalimpuls. Die Messungen der ersten Jahre des
RHIC Programms zeigen eine Unterdruckung dieser Teilchen in Schwerionenkollisionen.¨
Die Transversalimpulsspektren einzelner Teilchen lassen sich am einfachsten anhand des
nuklearen Modifikationsfaktors R vergleichen, der definiert ist als das Verhaltnis der¨AA
beobachteten und der erwarteten Teilchenproduktion unter der Annahme, dass eine Kolli-
sion zweier Kerne als Superposition unabhangiger Nukleon-Nukleon-Kollisionen beschrie-¨
ben werden kann. In zentralen Au+Au-Kollisionen wurde R ≈ 0.2 gemessen, also eineAA
Unterdruckungvon Teilchen mithohem Transversalimpulsp >5GeV/c umeinen Faktor¨ T
5.Diese starke Reduktiondeutetdaraufhin,dassPartonen Energieverlieren,wennsiedas
heiße Medium durchqueren,unddiedaraus entstehenden Hadronen deshalb beigeringerer
Energie gemessen werden. Alternative Theorien, die die Unterdru¨ckung mit einer Modi-
fikation der Partonverteilungsfunktionen in schweren Kernen erkla¨ren, konnten aufgrund
einer Vergleichsmessung mit d+Au-Kollisionen ausgeschlossen werden.
EineweitereM¨oglichkeit zurMessungdesEnergieverlusteseinesQuarksoderGluonsnutzt
die azimuthalen Korrelation zwischen Teilchen des selben und des entgegengesetzten Jets.
Teilchen aus einem Jet sind sehr stark gebu¨ndelt, Polar- und Azimuthwinkel des Impuls-
vektors sind daher stark korreliert, wahrend der Betrag des Impulses gemaß der Fragmen-¨ ¨
tationsfunktion verteilt ist, und deshalb keine Korrelation zwischen den Teilchen zeigt.
Jets werden meist paarweise erzeugt, wobei sich die beiden Jets im Schwerpunktssystem
derParton-Parton-Kollision inentgegengesetzte Richtungenbewegen.Aufgrunddesgerin-
gen Transversalimpulses der Partonen im Kern bewegt sich auch das Schwerpunktssystem
kaum in transversaler Richtung, so dass die transversalen Komponenten der Impulse der
beiden Jets in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Der azimuthale Winkel zwischen den
◦beiden Jets, oder zischen Teilchen aus diesen entgegengesetzten Jets, ist damit zirka 180 .
Wenn man die Korrelation im Ganzen betrachtet, wird man eine schmale Anh¨aufung von
Paaren mit einer Differenz der Azimuthalwinkel bei Δφ≈0 aufgrund von Teilchenpaaren
aus dem selben Jet und eine etwas breitere Anh¨aufung bei Δφ≈π aufgrund von Teilchen
aus entgegengesetzten Jets erwarten. Zufallige Kombinationen sind uber den gesamten¨ ¨
Bereich von 0 bis 2π verteilt und bilden einen kontinuierlichen Untergrund unter den Jet-
artigen Korrelationen, der als Summe eines konstanten und eines kosinusformigen Terms¨
beschrieben werden kann. Im Jahr 2001 konnte STAR zeigen, dass die Korrelationen von
triggergeladenenTriggerteilchenineinemTransversalimpulsbereichvon4GeV<p <6GeV
T
ivassocund geladenen assoziierten Teilchen mit 2GeV < p < 4GeV mit in p+p-KollisionenT
wie erwartet sowohl einen diesseitigen als auch einen entgegengesetzten Jet widerspiegeln.
Die Analyse von zentralen Au+Au-Kollisionen zeigt nach Abzug des kombinatorischen
Untergrundes dagegen nur die fur einen diesseitigen Jet charakteristische Anhaufung bei¨ ¨
Δφ≈ 0, wa¨hrend keine Hinweise auf die Existenz von entgegengesetzten Dijets gefunden
wurden. Dies kann damit erklart werden, dass nur Jets, die nahe der Oberflache des hei-¨ ¨
ßen Mediums entstehen, das Medium verlassen ko¨nnen, wa¨hren Jets die einen langen Weg
zuru¨cklegen mu¨ssen zu viel Energie verlieren, um noch beobachtet werden zu ko¨nnen. Da
im Fall von entgegengesetzten Dijets ein Jet immer einen relativ lange Wegstrecke zuruck-¨
zulegen hat, verschwinden die charakteristischen Korrelationen entgegengesetzter Jets bei
Δφ≈π nahezuvollstandig. AuchhierkonnteeineVergleichsmessungind+Au-Kollisionen¨
die beobachtete Unterdru¨ckung von Teilchen aus entgegengesetzten Jets nicht rekonstru-
ieren, so dass Effekte aufgrund kalter Kernmaterie als Erklarung ausgeschlossen werden¨
k¨onnen.
In Kapitel 3 wird als Grundlage fur die Datenanalyse das experimentelle Umfeld dieser¨
Dissertation beschrieben. Die Arbeit wurde am derzeit gr¨oßten Beschleuniger fu¨r schwere
Kernedurchgefuhrt,demRelativisticHeavyIonCollider(RHIC)amBrookhavenNational¨
Laboratory in den USA. RHIC kann verschiedene Ionensorten von Protonen bis zu Gold-√
kernen auf Energien bis zu s = 200GeV beschleunigen. Seit seiner InbetriebnahmeNN
im Jahr 2000 wurdenp+p, Au+Au, Cu+Cuundd+Au Kollisionen bei Energien zwischen
20 und 200GeV erzeugt. Diese Kollisionen wurden von funf Experimenten aufgezeichnet:¨
hinterdenbeidengro¨ßeren, STARundPHENIX,stehenjeweils Kollaborationen von mehr
als 500 Physikern, die weite Bereiche der Schwerionenphysik abdecken; die u¨brigen drei,
PHOBOS, BRAHMS und pp2pp, sind mit jeweils weniger als 100 Wissenschaftlern deut-
lich kleiner und auf wenige Themengebiete spezialisiert. Diese Analyse bezieht sich auf
Daten, die wahrend einer langen S