Energy dependence of multiplicity fluctuations in heavy ion collisions at the CERN SPS [Elektronische Ressource] / von Benjamin Lungwitz

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• Publié par: goethe_universitat_frankfurt_am_main
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 13
• Langue: Deutsch
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Extrait

Energy Dependence of Multiplicity
Fluctuations in Heavy Ion
Collisions at the CERN SPS
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Physik
der Johann Wolfgang Goethe - Universitat¨
in Frankfurt am Main
von
Benjamin Lungwitz
aus Frankfurt am Main
Frankfurt, 2008vom Fachbereich Physik der
Johann Wolfgang Goethe - Universit¨at als Dissertation angenommen.
Dekan: Prof. Dr. Dirk-Hermann Rischke
Gutachter: Prof. Dr. Marek Gazdzicki, Prof. Dr. Herbert Str¨obele
Datum der Disputation:
2Zusammenfassung
In dieser Arbeit wird die Energieabhangi¨ gkeit der Multiplizitatsfluk¨ tuationen in zentralen
SchwerionenkollisionenmitdemNA49-ExperimentamCERNSPS-Beschleunigeruntersucht.
Die Arbeit beginnt (Kapitel 1: Introduction) mit einer Einleitung in die Grundlagen der
stark wechselwirkenden Materie. Im Standardmodell der Teilchenphysik sind die Nukleonen,
die Bausteine der Atomkerne, aus Quarks aufgebaut und werden durch die starke Wechsel-
wirkung, vermittelt uber ihre Feldquanten, die Gluonen, zusammengehalten. Die Theorie der¨
starken Wechselwirkung wird als Quantenchromodynamik (QCD) bezeichnet, die starke La-
dung nennt man Farbladung. In der QCD gibt es drei elementare Ladungen, Quarks konnen¨
die Ladung Rot, Grun¨ oder Blau tragen, Antiquarks die entsprechenden Antifarben.
Es sind derzeit 6 verschiedene Quarks bekannt, die in 3 Generationen mit aufsteigender
Masse eingeordnet werden konnen. Jede Generation besteht aus einem Quark mit der elektri-¨
schenLadung+2/3undeinemmitderLadung−1/3.Zusatzlic¨ hzuden6Quarksgibtesnoch
6 Anti-Quarks. Die Nukleonen, die Bausteine der Atomkerne, bestehen aus den Quarks der
1. Generation. Neben den 3 Quark-Generationen existieren 3 Generationen von Teilchen, die
nicht an der starken Wechselwirkung teilnehmen, die Leptonen. Es gibt jeweils ein elektrisch
geladenes Lepton und ein neutrales, genannt Neutrino, pro Generation.
Die Austauschteilchen der Quantenchromodynamik, die Gluonen, tragen je eine Farbe und
eine Antifarbe. Da die Gluonen, im Gegensatz z.B. zu den Feldquanten der Elektrodynamik,
den Photonen, geladen sind, konn¨ en sie direkt miteinander wechselwirken. Wahr¨ end das Po-
tenzial der elektrischen Wechselwirkung zwischen zwei geladenen Teilchen mit der Distanz
der beiden Ladungen abnimmt und asymptotisch gegen Null geht, sorgt die Wechselwirkung
der Gluonen untereinander dafur, dass das Potential der starken Wechselwirkung zwischen¨
einem Quark und einem Anti-Quark mit zunehmender Entfernung beider ansteigt. Wenn die
potentielleEnergieindemsogenanntenStringausGluonen,welcherdasQuark-Anti-Quark-
Paar verbindet, groß genug wird, wird ein weiteres Quark- Anti-Quark- Paar erzeugt und
der String bricht. Es ist daher nicht moglich, einen freien farbgeladenen Zustand zu erzeu-¨
gen. Gebundene, farbneutrale Zustand¨ e der starken Wechselwirkung werden als Hadronen
bezeichnet. Derzeit sind zwei Arten von Hadronen bekannt. Die Mesonen sind aus einem
Quark- Anti-Quark- Paar aufgebaut, die (Anti-) Baryonen aus drei (Anti-) Quarks. Die Nu-
kleonen (Protonen, Neutronen) gehoren¨ zu den Baryonen. Es wird derzeit spekuliert, ob ein
gebundener Zustand aus vier Quarks und einem Anti-Quark, ein sog. Pentaquark, existiert,
die experimentellen Befunde sind jedoch widerspruc¨ hlich.
Heiße Kernmaterie bildet ein so genanntes Hadronengas, wo durch die hohe Energiedichte
Hadronen laufend gebildet werden und miteinander wechselwirken. Bei sehr hohen Energie-
3dichten (ca. 1 GeV/fm ) erwartet man jedoch, dass die Quarks nicht langer in Hadronen¨
gebunden sind sondern sich frei im ganzen Volumen bewegen konn¨ en. Diesen Materiezustand
bezeichnet man als Deconfinement oder Quark-Gluon-Plasma (QGP). Solche Energiedichten
12konnen erreicht werden, wenn man Materie auf Temperaturen von ca. 10 K (das entspricht¨
3ca. 100.000 mal der Temperatur im Inneren der Sonne) erhitzt. Solche Temperaturen exi-
stierten im Universum bis etwa 1 μs nach dem Urknall. Eine andere Moglichkeit, solche¨
Energiedichten zu erreichen, ist stark komprimierte Kernmaterie, wie sie im Kern von Neu-
tronensternen vermutet wird.
ImPhasendiagrammderstarkwechselwirkendenMaterieerwartetman,dassdieHadronen-
gas-Phase von der QGP-Phase bei hoheren¨ Baryonendichten durch einen Phasenub¨ ergang 1.
¨Ordnung separiert ist. Bei kleineren Baryonendichten hingegen ist ein kontinuierlicher Uber-
gang vorhergesagt. Ein kritischer Punkt soll beide Bereiche trennen.
Das Gebiet der relativistischen Schwerionenphysik beschaftigt sich mit der Frage, ob, und¨
wenn ja, bei welchen Energien der Phasenub¨ ergang von einem Hadronengas zu einem Quark-
Gluon-PlasmaauftrittundwelcheEigenschaftendasQGPbesitzt.ImLaborkonnenderartige¨
Energiedichten mit Schwerionenkollisionen erreicht werden. Am SPS- Beschleuniger des eu-
ropaischen Kernforschungszentrums CERN bei Genf konnen Blei- Ionen derart beschleunigt¨ ¨
3werden, dass bei ihren Kollisionen Energiedichten von mehr als 1 GeV/fm in einem kleinen
3 −22Volumen (ca. 1000 fm ) fur¨ eine kurze Zeit (ca. 10 s) erreicht werden k¨onnen. Aufgrund
des hohen Drucks expandiert dieser Feuerball sehr schnell, das eventuell vorhandene QGP
zerf¨allt und bildet Hadronen, die mit Detektoren gemessen werden konn¨ en. Anhand verschie-
dener Observablen dieses hadronischen Endzustandes versucht man, Informationen uber die¨
fruh¨ e, dichte Phase der Schwerionenkollision zu erhalten.
Verschiedene Signaturen des Quark-Gluon-Plasmas werden diskutiert und weisen darauf
hin, dass bei den hoc¨ hsten am SPS-Beschleuniger erreichbaren Energien tats¨achlich ein QGP
erzeugt wurde. Weiterhin kann man die vorhandenen experimentellen Daten so interpretie-
ren, dass bei mittleren SPS-Energien erstmalig QGP erzeugt wird (Onset of Deconfinement).
Modelle sagen voraus, dass im Bereich des Onsets of Deconfinement verschiedene Observable,
wie der Transversalimpuls, die Verh¨altnisse der Teilchenmultiplizitaten¨ oder die Teilchenmul-
tiplizit¨at selbst, stark von Kollision zu Kollision fluktuieren. Weiterhin werden erhoh¨ te Fluk-
tuationen erwartet, wenn der Feuerball einer Schwerionenkollision in der Nahe des kritischen¨
Punkts hadronisiert.
Der Bestimmung der Multiplizitatsfluktuationen liegt die entsprechende Multiplizitatsver-¨ ¨
teilung zugrunde. Sie gibt die Wahrscheinlichkeit P(n) an, dass in einer Kollision n Teilchen
produziertwerden.DieindieserArbeitverwendeteObservablederMultiplizitatsfluktuationen¨
ist die Scaled Variance ω, definiert als das Verhaltn¨ is der Varianz der Multiplizitatsv¨ erteilung
und ihres Mittelwerts (Kapitel 2: Multiplicity Fluctuations). Eine grundlegende Eigenschaft
von ω ist, dass es im Rahmen eines Superpositionsmodells unabhangi¨ g von der Anzahl der
Quellen der Teilchenproduktion ist. Wenn die Multiplizitat¨ der Kollisionen einer Poisson-
+ −Verteilung folgt, ist ω = 1. Die Scaled Variance kann fur positive (ω(h )), negative (ω(h ))¨
±und alle geladenen Hadronen (ω(h )) bestimmt werden.
Resonanz-Zerfalle erhohen die Multiplizitatsfluktuationen, wenn alle Tochter-Teilchen ei-¨ ¨ ¨
ner Resonanz fur¨ die Analyse verwendet werden. Wenn die Resonanzen in zwei detektierte
Teilchen zerfallen, ist das gemessene ω doppelt so groß als das der Resonanzen selbst. In
der Praxis zerfallen die meisten Resonanzen in zwei unterschiedlich geladene Tochterteilchen,
± + −man erwartet daher hohere Multiplizitatsfluktuationen fur ω(h ) als fur ω(h ) und ω(h ).¨ ¨ ¨ ¨
In mehreren Blasenkammer-Experimenten wurde die Energieabhangi¨ gkeit der Multipli-
zitatsfluktuationenininelastischenp+pKollisionenimvollenPhasenraumstudiert.DieForm¨
der Multiplizitatsv¨ erteilung in p+p Kollisionen kann in einem großen Energiebereich durch
eine universelle Funktion Ψ(z) beschrieben werden, wenn n und P(n) mit der mittleren Mul-
tiplizitat skaliert werden: P(n) = Ψ(n/hni)/hni. Diesen Effekt nennt man KNO-Scaling.¨
4Dadurch bedingt ist ω in p+p Kollisionen in einem großen Energiebereich eine lineare Funk-
tion der mittleren Multiplizitat.¨
In dieser Arbeit wird nun erstmals die Energieabhangi¨ gkeit der Multiplizit¨atsfluktuationen
in zentralen Schwerionenkollisionen untersucht. Dazu werden Daten des NA49- Experiments
verwendet, welches am CERN SPS steht (Kapitel 3: The NA49 Experiment). Der SPS- Be-
schleuniger ist ein Synchrotron mit einem Durchmesser von ca. 7 km, wo Protonen auf eine
Energie von bis zu 400 GeV und Bleiionen auf bis zu 158 GeV pro Nukleon beschleunigt
werden konn¨ en. Fur¨ das Studium von Kollisionen kleinerer Systeme wird der Bleistrahl frag-
mentiert und die gewunschten Ionen (hier Kohlenstoff oder Silizium) werden mit Hilfe der¨
Magneten in der Beam-Line und ladunsgsensitiven Detektoren selektiert.
DasNA49-ExperimentverfugtuberviergroßvolumigeTime-Projection-Chambers(TPCs),¨ ¨
mit denen es moglic¨ h ist, Spuren geladener Teilchen in drei Dimensionen zu detektieren. Zwei
dieser TPCs, genannt Vertex-TPCs, befinden sich in jeweils einem supraleitenden Magneten.
Zwei weitere TPCs, genannt Main-TPCs, befinden sich außerhalb des magnetischen Fe