Energy and system size dependence of {_Q63_1hn- [Xi-] and {_̄Q63_1hn+ [anti-Xi+] production in relativistic heavy-ion collisions at the CERN SPS [Elektronische Ressource] / von Michael K. Mitrovski

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• Publié par: goethe_universitat_frankfurt_am_main
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 18
• Langue: Deutsch
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Extrait

Energy and System Size
+Dependence of and
Production in Relativistic
Heavy-Ion Collisions
at the CERN SPS
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Physik
der Johann Wolfgang Goethe-Universit at
in Frankfurt am Main
von
Michael K. Mitrovski
aus Frankfurt am Main
Frankfurt am Main, 2007
(D 30)Vom Fachbereich Physik der Johann Wolfgang Goethe-Universit at als Dis-
sertation angenommen.
Dekan: Prof. Dr. Wolf A m us
Gutachter: Prof. Dr. Christoph Blume
Prof. Dr. Dr. h.c. Reinhard Stock
Datum der Disputation: 11.06.2007Energy and System Size
+Dependence of and
Production in Relativistic
Heavy-Ion Collisions
at the CERN SPS
A Dissertation
Presented to the Faculty of
Johann Wolfgang Goethe-University
in Frankfurt/Main
for the Degree of
Doctor of Philosophy
By
Michael K. Mitrovski
Frankfurt am Main, 2007Der Mensch hat dreierlei Wege klug zu handeln:
erstens durch Nachdenken, das ist der edelste,
zweitens durch Nachahmen, das ist der leichteste,
und drittens durch Erfahrung, das ist der bitterste.
(Konfuzius)
Die Wahrheit triumphiert nie, ihre Gegner sterben nur aus.
(Max Planck)Zusammenfassung
Quarks sind die elementaren Bestandteile, aus denen Hadronen (Baryonen und
Mesonen) aufgebaut sind. Zusammen mit den Leptonen und den Eichbosonen
gelten sie heute als die fundamentalen Bausteine, aus denen alle Materie aufge-
baut ist (siehe Kapitel 1). Im Standardmodell der Teilchenphysik werden diese
Ergebnisse zusammengefasst.
Es gibt sechs verschiedene Quark-Arten ( a vours): up, down, strange, charm,
bottom und top. In der Natur kommen keine isolierten Quarks vor, sondern nur
Kombinationen aus z.B. einem Quark-Antiquark Paar (Meson) oder aus drei
Quarks (Baryon).
Die Quantenchromodynamik (QCD) beschreibt die starke Wechselwirkung zwi-
schen Quarks und Gluonen. Quarks bauen unter anderem Protonen und Neutro-
nen auf. Gluonen vermitteln die Wechselwirkung zwischen den Quarks. Kon-
zeptionell ist die QCD an die Quantenelektrodynamik (QED) angelehnt, die
die Wechselwirkung elektrisch geladener Teilchen (z.B. Elektron oder Positron)
durch den Austausch von Photonen beschreibt. Analog wirkt die Kraft, die
durch denh von Gluonen beschrieben wird, zwischen Teilchen, die ei-
ne Farbladung (rot, grun, blau) tragen. Im Vergleich zur QED, wo das Photon
neutral ist, tragt das Gluon selbst Farbe und wechselwirkt daher mit anderen
Gluonen. Bei kleinen Quarkabstanden und hohen Energien bzw. hohen Im-
pulsubertragen, fallt die Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung ( ) s
ab. Bei kleinem sind Quarks und Gluonen schwach gebunden (Asymptotisches
Freiheit). Bei grossen Abstanden bzw. kleinen Impulsubertragen ist gross. s
Die Zunahme von bewirkt, dass unendlich viel Energie benotigt wird, ums
Quarks aus Hadronen herauszulosen. Dies hat die Folge, dass es gunstiger ist ein
neues Quark-Antiquark Paar zu erzeugen. Das erklart, warum Quarks immer in
Hadronen (Mesonen und Baryonen) gebunden sind und nie isoliert beobachtet
werden konnen (Con nement ).
Wenn Kernmaterie stark komprimiert wird, steigen Energiedichte und Tempe-
ratur, und moglicherweise erfahrt die Kernmaterie einen Phasenub ergang zu
einem Zustand der als Quark Gluon Plasma (QGP) bezeichnet wird (Abbil-
dung 1.4). Das QGP ist ein Zustand der Materie, in dem das Con nemen t
der Quarks und Gluonen aufgehoben ist (Decon nement ). Dieser Zustand ist
gekennzeichnet durch ein quasi-freies Verhalten der Quarks und Gluonen.
6Man nimmt an, dass das Universum ungefahr 10 Sekunden nach dem Ur-
knall, als die Energiedichte hoch genug war, diesen Zustand durchlief. Bei der
Expansion des Universums kuhlte das QGP ab, und die starke Kraft schloss
IQuarks und Gluonen in Hadronen ein. Im heutigen Universum existiert das
QGP hochstens noch im Zentrum von Neutronensternen und explodierenden
schwarzen Loc hern.
Es wird angenommen, dass durch ultrarelativistische Schwerionenkollisionen
3ein Zustand von sehr hohen Temperaturen und Energiedichten (1 GeV/fm ) im
Labor erzeugt werden kann (Abbildung 1.5). Gitter-QCD-Rechnungen (Lat-
tice QCD) deuten darauf hin, dass die Dichte, die gegenwartig in Schwerio-
nenkollisionen erreicht werden kann, hoch genug ist, um einen Ubergang von
Kernmaterie in einen Plasmazustand zu erreichen (Abbildung 1.4). Im weiteren
Verlauf der Kollision kuhlt der expandierende Feuerball ab. Nachdem die Pro-
duktion von neuen Quarks abgeschlossen ist, erreicht das System ein chemisches
Gleichgewicht. Dabei hadronisieren die Quarks in Mesonen und Baryonen. Das
immer noch expandierende System kuhlt weiter ab. Die Hadronen wirken nur
noch elastisch miteinander, wobei sich nur ihre Impulse, aber nicht die Iden-
titat andert. Sobald auch die elastische Wechselwirkung zwischen den Hadronen
endet (thermisches Ausfrieren), verlassen die Teilchen die Reaktionszone.
Die Interpretation solcher Experimente wird dadurch erschwert, dass das Quark
23Gluon Plasma eine Lebensdauer von nur einigen Fermi/c (10 Sekunden)
15hat und die raumliche Ausdehnung in der Gro enordn ung von 10 Meter
liegt. Deshalb beobachtet man im Experiment nur den hadronischen Endzu-
stand der Kollision, aus dem man dann Ruc kschlusse auf den Materiezustand
in den fruhen Phasen der Kollision ziehen muss. Aufgrund von Modellrech-
nungen wurden einige Observablen vorgeschlagen, die einen Phasenub ergang
kennzeichnen. Eine Observable ist die Seltsamkeitsproduktion.
Seltsame (s) und Antiseltsame (s) Quarks werden in der Kollision neu pro-
duziert und konnen deshalb Aufschluss uber den Anfangszustand geben. Eine
Uberhohung der Seltsamkeit in Schwerionenkollisionen im Vergleich zu elemen-
taren Nukleon-Nukleon Kollisionen wurde als Signatur fur ein QGP vorherge-
sagt. Es ist bis jetzt noch nicht klar, ob dieser E ekt auch auf hadronische
E ekte zuruc kgefuhrt werden kann. Deshalb untersucht man die Energie- und
Systemgro enabh angigkeit von seltsame Hadronen, um einen Aufschluss vom
Anfangszustand zu gewinnen.
Es gibt verschiedene Moglichkeiten um seltsame Quarks zu erzeugen. In einem
Hadronen Gas muss ein gewisser Energie-Schwellenwert erreicht werden, um
seltsame Hadronen zu produzieren. Dieser wird durch die Massendi erenz des
Anfangs- und Endzustandes bestimmt. In der starken Wechselwirkung ist die
Seltsamkeit eine Erhaltungsgro e, was heisst, dass ein Teilchen und Antiteil-
chen, die jeweils ein s bzw. s enthalten, gleichzeitig in der Reaktion erzeugt
werden mussen. Im Unterabschnitt 1.5.1 kann gesehen werden, dass die Ener-
gieschwellenwerte relativ hoch sind um Seltsamkeit in der Anfangsreaktion zu
erzeugen.
Im Gegensatz zum Hadronengas mussen in einem decon ne d Zustand nur selt-
same und Antiseltsame Quarks erzeugt werden. Es gibt verschiedene Moglic h-
keiten in einem QGP einss Paar zu erzeugen. Zum einen konnen durch Gluon
IIFusion (g+g!ss) und zum anderen durch leichte Quark-Anti-Quark Paarver-
nichtung (qq!ss) seltsame und Antiseltsame Quarks erzeugt werden. Au er-
dem ist der Energie-Schwellenwert in einem QGP, um einss Paar zu erzeugen,
einfach nur die blo e Masse der beiden seltsame Quarks. Deshalb ist es moglic h
bei den hohen Temperaturen die in einem QGP existieren, thermisch ss Paare
zu erzeugen. Eine weitere Quelle ub erhoh ter ss Paarproduktion resultiert aus
dem Pauli-Prinzip. Da alle Quarks Fermionen sind, gilt unter der Annahme des
Paulischen Ausschlussprinzips, dass zwei Fermionen nicht den gleichen quan-
tenmechanischen Zustand annehmen konnen. Das fuhrt dazu, dass die in der
Kollision vermehrt produzierten leichten Quarks den gleichen Raum belegen
und es deshalb energetisch einfacher wird ss Paare zu erzeugen. Diese Grunde
fuhren dazu, dass es im Vergleich zu einem Hadronengas eine ub erhoh te Produk-
tion von seltsame Hadronen gibt, wenn das System einen decon ne d Zustand
durchquert. Erste Messungen vom NA35 Experiment zeigten, dass das Kaon zu
Pion Verhaltnis in centralen S+S-Kollisionen bei 200AGeV ungefahr ein Faktor
zwei hoher ist, als die die in N+N Wechselwirkungen gemessen wurden. Darub er
hinaus wird keine weitere Seltsamkeitsub erhohung von S+S zu Pb+Pb Kollisio-
nen gemessen (Abbildung 1.8). Eine gro ere Seltsamkeitsuberhohung wurde bei
niedrigeren AGS-Energien vom E802 Experiment gemessen. Abbildung 1.9 zeigt
das gemessene Doppelverhaltnis in zentralen Pb+Pb/Au+Au Kollisionen von
AGS, ub er SPS zu RHIC Energien im Vergleich zu p+p Wechselwirkungen. Bei
niedrigen AGS-Energien, wo erwartet wird, dass kein QGP gebildet wird und
deshalb es auch keine Seltsamkeitsub erhoh ung geben sollte, wird tatsachlich ei-
ne gro ere Seltsamkeitsuberhohung gemessen als bei RHIC-Energien. Dies steht
im Widerspruch zu der oben genannten Hypothese. Deshalb kann man zusam-
menfassend sagen, dass das Konzept von Seltsamkeitsub erhoh ung als Signal
fur das QGP in frage gestellt werden kann. Das Modell Statistical Model Of
The Early Stage schlagt vor sich die Energieabhangigk eit des Verhaltnisses von
Seltsamkeit zu Pion sich anzuschauen. Dieses Modell macht eine Vorhersage,
dass es einen Phasenub ergang zwischen AGS- und SPS-Energien gibt, der sich
in einem scharfen Maximum wiederspiegelt, welche auch tatsachlich gemessen
wurde (Abbildung 1.10). Das Problem dieses Modells ist, dass es keine wirklich