Event-by-event fluctuations of the particle yield ratios in heavy-ion collisions at 20 - 158 AGeV [Elektronische Ressource] / von Dmytro Kresan

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• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 34
• Langue: English
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Extrait

Event-by-event Fluctuations of the Particle Yield
Ratios in Heavy-Ion Collisions at 20 - 158AGeV
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Physik
der Johann Wolfgang Goethe - Universit¨at
in Frankfurt am Main
von
Dmytro Kresan
aus Khmelnitskiy, Ukraine
Frankfurt am Main, 2010
(D30)vom Fachbereich Physik der
Johann Wolfgang Goethe - Universita¨t als Dissertation angenommen.
Dekan: Prof. Dr. Dirk-Hermann Rischke
Gutachter: Prof. Dr. Peter Senger, Prof. Dr. Herbert Stro¨bele
Datum der Disputation:Contents
Kurzfassung v
Abstract vi
1 Introduction 1
1.1 Low-mass vector mesons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Charm production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Strangeness in dense matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Event-by-event fluctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 The UrQMD model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2 The NA49 experiment 9
2.1 The magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 The TPC tracking system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Principles of operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Readout chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Veto calorimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.1 Centrality determination . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Data analysis 14
3.1 Inclusive fit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Event-by-event fit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 Extraction of dynamical fluctuations . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4 Event and track cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 Systematic errors due to track selection . . . . . . . . . . . . 30
4 Results of the data analysis 31
4.1 Energy dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Dependence on centrality bin size . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2.1 Central events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.2 Semi-peripheral events . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Centrality dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
ii5 Discussion of the results 49
5.1 UrQMD simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.1 Influence of detector acceptance . . . . . . . . . . . . 56
5.1.2 dE/dx resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1.3 Centrality dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.1.4 Resonance contributions in UrQMD . . . . . . . . . . 63
5.2 Simulations with phase space models . . . . . . . . . . . . . . 65
∗5.2.1 Influence of the K (892) decay . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.2 Influence of the φ(1020) decay . . . . . . . . . . . . . 67
5.3 Scaling of the dynamical fluctuations . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6 The CBM experiment 73
6.1 Detector design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.1.1 Micro vertex detector (MVD) . . . . . . . . . . . . . . 74
6.1.2 Silicon tracking system (STS) . . . . . . . . . . . . . . 74
6.1.3 Ring imaging cherenkov (RICH) detectors . . . . . . . 75
6.1.4 Transition radiation detector(TRD) . . . . . . . . . . 76
6.1.5 Resistive plate chambers (RPC) . . . . . . . . . . . . 76
6.1.6 Electromagnetic calorimeter (ECAL) . . . . . . . . . . 77
6.1.7 Muon chambers (MUCH) . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.1.8 Projectile spectator detector (PSD) . . . . . . . . . . 77
6.2 Event reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.2.1 STS tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2.2 TRD tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2.3 Global tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 Hadron identification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3.1 Hadron ID with CBM at SIS 100 . . . . . . . . . . . . 86
6.4 Event-by-event fluctuations of the kaon to pion yield ratio . . 88
6.4.1 Simulations with UrQMD . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.2 Sensitivity test with Toy Model . . . . . . . . . . . . . 92
6.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
A Dependence on centrality bin size 94
A.1 Central events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
A.2 Semi-peripheral events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
B Centrality dependence 101
B.1 5% bin width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
B.2 10% bin width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Bibliography 129
Acknowledgment 130
iiiCurriculum Vitae 131
ivKurzfassung
Nicht statistische “event-by-event” Fluktuationen werden als wichtiges
Signal fu¨r die Suche nach dem kritischen Endpunkt des QCD Phasendia-
gramms angesehen. In aktuellen Experimenten werden aus diesem Grund
bereits detailliert “Event-by-event” Fluktuationen verschiedener Observab-
lenuntersucht. DieseFluktuationenwerdenaberaucheinewichtigeObserv-
able fu¨r das zuku¨nftige CBM Experiment bei FAIR sein. In dieser Arbeit
werdenErgebnissezurEnergie-undZentralita¨tsabh¨angigkeit der“event-by-
event”FluktuationenvonTeilchenzahl-Verha¨ltnissenpra¨sentiert. DieDaten
stammen von Messungen des NA49 Experimentes bei Pb + Pb Sto¨ssen mit
Strahlenergien von 20 - 158AGeV.
Es wurden systematische Studien bezu¨glich des Einflusses der dE/dx Auf-
lo¨sung auf die Teilchenidentifikation und die Gro¨sse der Zentralita¨ts-Bins
durchgefu¨hrt. Die Ergebnisse dieser Arbeit k¨onnen mit weiteren Ergeb-
nissen der NA49 Kollaborartion u¨ber “event-by-event” Fluktuationen von
Observablen wie der mittleren Multiplizita¨t geladener Teilchen oder <pt>
verglichen werden.
Die HauptergebnissedieserArbeitsindeinAnsteigen derdynamischenTeil-
chenzahl-Verha¨ltnis Fluktuationen mit abnehmender Multiplizit¨at bei allen
untersuchen Verha¨ltnissen, eine Sa¨ttigung der Fluktuationen der K/π- und
K/p-Verha¨ltnisse fu¨r periphere Pb + Pb Sto¨sse bei 158AGeV Strahlenergie
und eine Skalierung der Energie- und Zentralita¨tsabh¨angigkeit der p/π-
Verha¨ltnis Fluktuationen mit N N . Die gemessenen Energie- und Zen-p π
tralita¨tsabh¨angigkeiten der K/π- und K/p-Verha¨ltnis Fluktuationen skalie-
renmitN inunterschiedlicherWeise. DieSa¨ttigungdergenanntenVerha¨lt-K
nisFluktuationenbeiEreignissweiserAuswertungderDatenwerdenmitder
Ausbildung einer Singularita¨t bei Null erkl¨art. Mittels Monte Carlo Simu-
lationen kann gezeigt werden, da¨s die Singularita¨t die gemessenen Fluktua-
tionen in sehr peripheren Pb + Pb Sto¨ssen bei 158 AGeV beeinflu¨st.
¨Das zuku¨nftigeCBMExperimentbei FAIR wirdganz speziell denUber-
gangsbereichdesQCDPhasendiagrammsuntersuchenumnachdemPhasen-
u¨bergang erster Ordnung und dem vorhergesagten kritischen Endpunkt zu
suchen. Aus diesem Grund ist es wichtig die Sensitivita¨t des Experiments
fu¨r die Teilchenzahlverha¨ltnis Fluktuationen im Bereich von 10-45 AGeV
zu untersuchen. Hierzu werden in dieser Arbeit detaillierte Simulationen
pra¨sentiert, die als Ergebnis zeigen dass das CBM Experiment Daten erzeu-
gen kann mit Hilfe derer man fu¨r die “event-by-event” Fluktuationen eine
eine Sensitivita¨t im Bereich von 1% erreichen kann.Abstract
Non-statistical event-by-event fluctuations are considered as an impor-
tant signal for the critical endpoint of the QCD phase diagram. Event-by-
event fluctuations of different observables are thus investigated in detail in
current experiments but are also an important observable to be studied at
thefutureCBMexperimentatFAIR.Inthisworkwepresenttheenergyand
centrality dependence of event-by-event fluctuations of particle yield ratios
measured by the NA49 experiment in Pb+Pb collisions at 20 - 158 AGeV.
Systematic studies of the influence of the dE/dx resolution on the parti-
cle identification and the centrality bin size were performed. Results can
be compared to event-by-event fluctuations measured by NA49 for different
observables such as <pt> or the mean charged particle multiplicity.
Main results of thesestudies arean increase of absolute value of thedynam-
ical particle ratio fluctuations with decreasing centrality for all considered
ratios, saturation oftheK/π andK/p ratiofluctuations forperipheralPb+
Pb collisions at 158A GeV and scaling of the energy and centrality depen-
dences of the p/π ratio fluctuations with N N . The measured energy andp π
centrality dependencesof theK/π andK/pratio fluctuations scale withNK
in a different way. The saturation of the mentioned ratios fluctuations was
attributed to the development of pronounced spike at zero in the eventwise
ratio distributions, which, as was shown by Monte Carlo simulations, influ-
ence the measured fluctuations in the very peripheral Pb + Pb collisions at
158A GeV.
In future, the CBM experiment at FAIR will investigate the intermediate
region of the QCD phase diagram in great detail searching for the first or-
der phase transition line and the expected critical endpoint. It is therefore
importanttoclosely investigate its sensitivity towa