Fluctuations and correlations in nucleus-nucleus collisions within transport approaches [Elektronische Ressource] / von Volodymyr P. Konchakovski

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• Publié par: goethe_universitat_frankfurt_am_main
• Publié le: 01 janvier 2009
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Extrait

FLUCTUATIONS AND CORRELATIONS
IN NUCLEUS-NUCLEUS COLLISIONS
WITHIN TRANSPORT APPROCHES
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Physik
der Johann Wolfgang Goethe–Universit¨at
in Frankfurt am Main
von
Volodymyr P. Konchakovski
aus Korosten, Ukraine
Frankfurt am Main
2009
(D30)vom Fachbereich Physik der
Johann Wolfgang Goethe–Universit¨at, Frankfurt am Main,
als Dissertation angenommen.
Dekan: Prof. Dr. Dirk-Hermann Rischke
Gutachter: PD Dr. Elena Bratkovskaya
Datum der Disputation: 1 .10.20093
Zusammenfassung
Wie aus der Quantenstatistik wohl bekannt ist, k¨onnen Fluktuationen
physikalischer Observable wertvolle Hinweise auf kritische Punkte im Phasendia-
grammliefern. Diese Betrachtungen gelten auch fu¨rdas Phasendiagramm hadro-
nischer Materie, welches gegenw¨artig von verschiedenen Arbeitsgruppen in the-
oretischer und experimenteller Hinsicht erforscht wird. Die vorliegende Arbeit
ist eine systematische Analyse von Fluktuationen und Korrelationen in rela-
tivistischen Schwerionenst¨oßen auf der Basis des HSD Transportmodells, welches
eine mikroskopische Beschreibung dieser Reaktionen liefert. Der Vorteil solcher
mikroskopischer Simulationen liegt darin, daß die komplizierten experimentellen
Triggerbedingungen fu¨r jede einzelne Schwerionenreaktion implementiert werden
k¨onnen. Auf diese Weise k¨onnen experimentelle Zentralit¨ats-Bestimmungen fu¨r
Eventklassen explizit in die Analyse integriert werden. Der Vergleich mit dif-
ferenziellen experimentellen Daten gibt sodann Aufschluß u¨ber die Frage, in-
wieweit gemessene Signale auf einen Phasenu¨bergang bzw. kritischen Punkt
hinweisen. Des Weiteren liefern die mikroskopischen Phasenraumsimulationen
– unter Ausschluß von spezifischen Cuts – wertvolle Hinweise darauf, welche Ob-
servablen durch mikrokanonische, kanonische oder großkanonische Gesamtheiten
beschrieben werden k¨onnen.
Nach einer detaillierten Ableitung und Beschreibung des HSD Transport-
modells in Kapitel 2 wurde in Kapitel 3 zun¨achst die Abh¨angigkeit der Fluk-
tuationen in den Teilchenmultiplizit¨aten von der Zentralit¨at der Reaktionen un-
tersucht. Dabei wurden verschiedene Ans¨atze zur Definition der Zentralit¨at in
diesen Reaktionen verwendet, die den jeweiligen experimentellen Randbedingun-
gen genu¨gen. Bei SPS Energien wurden Gesamtheiten mit fester Anzahl von
projProjektil-Partizipanten, N , ausgew¨ahlt w¨ahrend bei den PHENIX Experi-
P
menten am RHIC Gesamtheiten mit unterschiedlicher Phasenraumbesetzung bei
Midrapidit¨at ausgew¨ahlt wurden. Eine Abnahme der Teilchenfluktuationen mit4
der Zentralit¨at der Reaktion konnte in beiden Energiebereichen festgestellt wer-
den.
In Kapitel 4 konnte weiterhin gezeigt werden, daß Fluktuationen in der Zahl
der Target-Partizipanten großen Einfluß auf die Fluktuationen in der Baryonen-
zahl haben. Dieses kommt dadurch zustande, daß durch den experimentellen
proj
TriggerauffesteZahlN zwardieAnzahlderProjektil-PartizipantenfestgelegtP
wird, jedoch keine Einschr¨ankung inder Anzahl der Target-Partizipanten erfolgt.
proj
Letztere fluktuiert daher signifikant um N . Als Folge zeigen die gemessenenP
Fluktuationen in der Zahl der geladenen Teilchen eine explizite Abh¨angigkeit
von der Rapidit¨aty. Diese Abh¨angigkeit kann wiederum benutzt werden, um die
Durchdringung der longitudinalen Flu¨sse von Projektil- und Target-Hadronen
im Vergleich mit dem Experiment zu bestimmen. In der Tat zeigen die HSD
Rechnungen eine nur geringe Mischung von Target- und Projektil-Hadronen im
Vergleich mit den Daten der NA49Kollaboration, was auf–in HSD nicht enthal-
tene –partonische Freiheitsgrade hinweist. Andereseits zeigen die HSD Rechnun-
¨gen fu¨r die Ladungsfluktuation ΔΦ eine gute Ubereinstimmung mit den NA49
Daten,wasbedeutet,daßdieseObservabledurchWechselwirkungen indersp¨aten
hadronischen Phase dominiert wird und daher wenig Information u¨ber eine fru¨he
partonische Phase liefert.
Bei RHIC Energien wurden die Fluktuationen in der Teilmultiplizit¨at fu¨r√
Au+Au bei s = 200 GeV berechnet und mit den vorl¨aufigen Daten der
PHENIX Kollaboration konfrontiert. In der Tat wird eine qualitative und quan-
¨titative Ubereinstimmung zwischen den Rechnungen und Daten gefunden, was
darauf hindeutet, daß die Zentralit¨atsabh¨angigkeit der gegenw¨artigen Daten der
PHENIXKollaborationvorwiegendaufFluktuationeninderZahlderPartizipan-
ten zuru¨ckzufu¨hren ist.
Die Anregungsfunktion der Fluktuationen in der Teilchenmultiplizit¨at wurde
in Kapitel 5 untersucht und mit Resultaten des statistischen Modells verglichen.
W¨ahrend HSD ein Anwachsen der skalierten Fluktuationen mit der Kollision-
senergie liefert, zeigt das statistische Modell ein konstantes Verh¨altnis bei hohen
Energien. So ist der Unterschied zwischen HSD Vorhersagen und dem statistis-√
chen Modell bereits ein Faktor 10 bei der RHIC Energie s = 200 GeV. Jedoch
liefertein direkter Vergleich mitexperimentellen Datenfu¨rsehrzentrale Reaktio-
nen von Pb+Pb bei 160 A GeV keine signifikanten Differenzen zwischen beiden
Modellen. Dieses ist darauf zuru¨ckzufu¨hren, daß bei SPS Energien die Unter-5
schiede ohnehin nur klein sind und durch die geringe experimentelle Akzeptanz
weiter reduziert werden. Daher sind neue Messungen bei h¨oheren Energien mit
deutlich verbesserter Akzeptanz erforderlich, um zwischen den Modellen experi-
mentell eine Pr¨aferenz festzulegen.
Die geplanten Experimente der NA61 Kolloboration bei SPS Energien von
20 - 158 A GeV wurden in Kapitel 6 untersucht, einerseits in Hinsicht auf
die Abh¨angigkeit der Fluktuationen von der Kollisionsenergie, andererseits in
Abh¨angigkeit von der Systemgr¨oße und Zentralit¨at. Zu diesem Zweck wurden
C+C, S+S, In+In und Pb+Pb Reaktionen bei 10, 20, 30, 40, 80 und 158 A
GeV mit hoher Statistik berechnet. Insbesondere der Einfluß von Fluktuatio-
nen in der Zahl der Partizipanten stellte sich erneut als dominant heraus. Um
diesen ‘geometrischen’ Effekt zu minimieren, sollte man nur sehr zentrale St¨oße
betrachten. Jedoch ist zu beachten, daß fu¨r ‘leichte Systeme’ wie C+C und
S+S selbst die Festlegung ‘sehr zentraler St¨oße’ modellabh¨angig bleibt. Die HSD
Rechnungen zeigten eine monotone Abh¨angigkeit der Fluktuationen von der Ein-
schußenergie und Systemgr¨oße auch bei sehr zentralen Reaktionen. Da in diesen
Transportrechnungen keine expliziten partonischen Freiheitsgradeenthalten sind,
bedeutet dieses Ergebnis fu¨r das Experiment, daß nicht-monotone Fluktuationen
(in sehr zentralen Eventklassen) ein Anzeichen fu¨r das Auftreten eines kritischen
Punktes sein k¨onnten.
Weitere kritische Observablen sind Verh¨altnisse vonHadronen zueinander wie
K/π, p/π, Λ/p etc., die nicht zu sehr von Volumenfluktuationen beeinflußt wer-
den. Insbesondere Fluktuationen in diesen Teilchenverh¨altnissen wie K/π wur-
den lange Zeit als vielversprechende Observable betrachtet.Eine entsprechende
systematische Analyse wurde in Kapitel 7 vorgestellt fu¨r Schwerionenkollisionen
von den unteren SPS Energien bis zu den h¨ochsten Energien bei RHIC. Neben
den HSD Rechnungen wurden statische Modellrechnungen fu¨r mikrokanonische,
kanonischeundgroßkanonischeGesamtheitenherangezogen,uminsbesondereden
EinflußvonErhaltungsgr¨oßenaufdieseObservablenzustudieren. Esergabensich
signifikante Unterschiede zwischen dem HSD Transportmodell und den statitis-
chenAns¨atzenindenverschiedenenVariantenfu¨rdieskaliertenVarianzenω undA
Korrelationsparameterρ . Bei SPS Energien zeigten die HSD Rechnungen eineAB
¨weitgehende Ubereinstimmung mit mikrokanonischen und kanonischen Rechnun-
gen, was auf die dominante Rolle von Resonanzzerf¨allen und Erhatungss¨atzen
hinweist. Dagegen ergaben sich deutliche Unterschiede fu¨r die skalierten Vari-6
anzen und Korrelationsparameterρ bei RHIC Energien, die in erster Linie aufAB
die Nichtgleichgewichts-Dynamik der HSD Transportrechnungen zuru¨ckzufu¨hren
sind. Dieses bedeutet andererseits, daß die Observablen gut geeignet sein sollten,
¨das Maß an Aquilibrierung in Reaktionen bei RHIC experimentell festzulegen.
Des Weiteren zeigte sich, daß die dynamischen Korrelationen, charakterisiert
durch die Variable σ sehr stark von Niederenergieeigenschaften des Modellsdyn
abh¨angen,sodaßvonexperimentellerSeitehierkeineeindeutigenSchlußfolgerun-
gen gezogen werden k¨onnen.
Es ist hervorzuheben, daß die HSD Rechnungen die gemessene Anregungs-
funktion in den Fluktuationen des K/π Verh¨altnisse bei SPS Energien sehr gut
beschreibt, was bisherigen Modellen nicht gelang. In diesem Zusammenhang
ist darauf hinzuweisen, daß Akzeptanz-Cuts und die spezielle Wahl der Zen-
tralit¨ats-Definition keinen signifikanten Einfluß auf diese Observable haben. Bei
RHIC Energien dagegen wurde eine starke Abh¨angigkeit dieser Observablen von