Two- and three-particle azimuthal correlations of high-p_1tnt charged hadrons in Pb+Au collisions at 158 GeV per nucleon [Elektronische Ressource] / von Stefan Kniege

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• Publié le: 01 janvier 2009
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Two- and Three-Particle azimuthal
Correlations of high-p charged Hadrons int
Pb+Au Collisions at 158 GeV per Nucleon
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades der
Naturwissenschaften
vorgelegt beim Fachbereich Physik der
Johann Wolfgang Goethe-Universit¨at
Frankfurt am Main
von
Stefan Kniege
aus Steinau-Ulmbach
Frankfurt am Main, 2009
(D 30)Vom Fachbereich Physik der Johann Wolfgang Goethe-Universita¨t als Disser-
tation angenommen.
Dekan: Prof. Dr. Dirk Rischke
Gutachter: Prof. Dr. Harald Appelsha¨user
Prof. Dr. Reinhard Stock
Datum der Disputation: 14.07.2009Zusammenfassung
Ein wesentliches Ziel der Physik mit schweren Ionen ist die Untersuchung der
Zust¨ande von Kernmaterie bei hohen Dichten bzw. Temperaturen. Solche Zu-
sta¨nde lassen sich durch Kollisionen von hochenergetischen schweren Ionen in
Teilchenbeschleunigern wie dem Super Proton Synchrotron SPS am Europa¨-
ischen Kernforschungszentrum CERN in Genf erzeugen und untersuchen.
Die vorliegende Arbeit bescha¨ftigt sich mit der Analyse des Einflusses des
in einer solchen Kollision erzeugten Mediums auf hochenergetische Teilchen,
welche dieses Medium durchqueren. Hierzu werden Korrelationen zwischen
Teilchen mit hohem Transversalimpulsp als Funktion der Zentralita¨t der Kol-t
lisionen und der Ladung der beteiligten Teilchen untersucht. Ziel ist es, hi-
erdurch eine experimentelle Grundlage fu¨r die theoretische Beschreibung der
Eigenschaften des Mediums in solchen Kollisionen bereitzustellen.
UnterNormalbedingungenliegtKernmaterieinFormgebundenerZust¨andeaus
Quarks und Gluonen (Partonen) vor. Diese lassen sich zwar in elementaren
Reaktionen als Bausteine der Nukleonen nachweisen, eine direkte Beobachtung
isolierter Quarks ist hingegen nicht mo¨glich. Dies liegt an einer Besonder-
heit der starken Wechselwirkung, die nebender elektromagnetischen Kraft, der
schwachen Wechselwirkung und der Gravitation das Quartett der elementaren
WechselwirkungeninderNaturvervollsta¨ndigt. DiederstarkenWechselwirkung
entsprechende Ladung wird als Farbladung (color charge) bezeichnet. Sie liegt
in drei Auspra¨gungen (rot, gru¨n, blau) vor und erlaubt (farb-) ladungsneutrale
gebundene Zust¨ande aus zwei (Mesonen) bzw. drei Quarks (Baryonen).
Gluonen sind die Vermittler der starken Wechselwirkung zwischen den Quarks.
ImGegensatzzuPhotonenalsAustauschteilchenderelektromagnetischenWech-
selwirkung sind sie selbst Tra¨ger der Farbladung und k¨onnen somit wiederum
mit (farb-)geladenen Teilchen wechselwirken. Dies hat zur Folge, dass die
Feldsta¨rkezwischendenQuarksnichtwieimFallderelektromagnetischenKraft
quadratisch mit dem Abstand abf¨allt, sondern fu¨r große Absta¨nde konstant
bleibt. Die Energie, die notwendig ist, um zwei Quarks zu trennen,steigt somit
¨fu¨r große Absta¨nde linear an. Ubersteigt die im Farbfeld zweier Quarks gespei-
cherte Energie diejenige Energie, welche zur Erzeugung eines Quark-Antiquark
Paares notwendig ist, kann ein solches Paar neu erzeugt werden. Diese Quarks
bilden mit den urspru¨nglichen Quarks wiederum farbneutrale Zust¨ande. Die
QuarkssindsomitindengebundenenZust¨andenderHadronen(Mesonen,Bary-
onen) eingeschlossen (confinement). Bei sehr hohen Kollisionsenergien entste-
hen durch die beschriebene Fragmentierung des Farbfeldes (string) zwischen
den Quarks kollimierte Strahlen (Jets) von Teilchen.
Bei kleinem Abstand bzw. hohem Impulsu¨bertrag verringert sich die Kop-
plungssta¨rke der starken Wechselwirkung jedoch (asymptotische Freiheit), was
bei extrem hohen Dichten bzw. Temperaturen zu einem Phasenu¨bergang von
hadronischer Materie zu einem partonischen Zustand aus freien Quarks und
Gluonen (Quark-Gluon-Plasma, QGP) fu¨hren kann.
EinedirekteBeobachtung diesesZustandesistaufgrunddesconfinementhinge-
gen nicht mo¨glich. Durch die Expansion des Systems nach einer Kollision wer-
I−23den die Quarks und Gluonen innerhalb weniger 10 s wiederum in Hadronen
gebunden. Nur diese gebundenen Zust¨ande aus Quarks k¨onnen in Detektoren
nachgewiesen werden.
¨Der Ubergang von der partonischen in die hadronische Phase geschieht u¨ber
die Rekombination von Partonen zu Hadronen oder bevorzugt bei hohen Par-
tonenergien durch die oben beschriebene Fragmentierung des Farbfeldes zwi-
schen zwei Partonen.
Die Herausforderung besteht nun darin, Observablen zu finden und zu unter-
suchen, welche es ermo¨glichen, Ru¨ckschlu¨sse auf den Zustand des Mediums in
der fru¨hen Phase vor der Hadronisierung zu ziehen. Hierbei werden unter-
schiedliche Ansa¨tze verfolgt.
Zum einen werden Observablen untersucht, die nicht durch die Expansion des
Systems und die anschließende Hadronisierung gesto¨rt werden. Hier handelt es
sich z.B. um die Untersuchung direkter, in elementaren Reaktionen erzeugter
Photonen. Die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung dieser Photonen mit
dem Medium ist sehr gering. Somit konservieren direkte Photonen Informatio-
nen u¨ber den Zustand der Materie zum Zeitpunkt ihrer Produktion.
Ein anderer Ansatz ist die Untersuchung der Wechselwirkung der Teilchen mit
dem Medium, um damit Ru¨ckschlu¨sse auf den Zustand des Mediums zuzu-
lassen. Dieser Ansatz wird in der vorliegenden Arbeit verfolgt.
Es wird untersucht, welche Signatur die Wechselwirkung von Partonen aus
hartenQuark-QuarkSto¨ßenmitdemsieumgebendenMediumimhadronischen
Endzustand hinterla¨sst.
Die Energie- sowie die Orts- und Impulsverteilung von Hadronen, welche aus
solchen Quark-Quark Sto¨ßen entstehen, ha¨ngt von der Wechselwirkung der
Partonen mit dem sie umgebenden Medium ab. Theoretische Rechnungen
zeigen deutliche Unterschiede des Energieverlustes farbgeladener Teilchen in
einem partonischen Medium (QGP) im Vergleich zu einem farbneutralen ha-
dronischenMediumvoraus. Verschiedene Mechanismen, wiederEnergieverlust
durchelastischeKollisionenundEnergieverlustdurchdieAbstrahlungvonGlu-
onen, werden in der Literatur diskutiert.
Der Energieverlust der Partonen fu¨hrt zur Unterdru¨ckung der Produktion von
Hadronen mit hohem Transversalimpuls. Als Referenz dienen hier die Daten
von Proton-Proton Reaktionen, in welchen Partonen aus harten Sto¨ßen nicht
durch ein sie umgebendes Medium beeinflusst werden. Diese Unterdru¨ckung
kann durch den ”Nuklearen Modifikationsfaktor” R quantifiziert werden, inAA
dem die Multiplizit¨at der Teilchen in Schwerionenkollisionen mit der Multi-
plizita¨tinProton-ProtonKollisionenverglichenwird. DieProton-ProtonDaten
werden hierfu¨r mit der Anzahl der mo¨glichen Nukleon-Nukleon Sto¨ße in den
Schwerionenkollisionen skaliert.
¨Stellt eine Schwerionenkollision nur eine Uberlagerung von Nukleon-Nukleon
Kollisionen dar, wa¨re R gleich eins. Am Relativistic Heavy Ion ColliderAA √ √
(RHIC) wurden in Au-Au Kollisionen bei s =200 GeV ( s : Schwer-NN NN
punktsenergie im Nukleon-Nukleon System) Werte von R ≈ 0.2 gemessen,AA
was einer Unterdru¨ckung um einen Faktor 5 entspricht. Eine Unterdru¨ckung
IIdirekter Photonen wurde hingegen nicht beobachtet. Bei der ho¨chsten SPS√
Energie von s =17.2 GeV liegt R fu¨r Hadronen nahe eins, jedoch istNN AA
eine Verringerung des Faktors mit ho¨her werdenden Zentralita¨ten der Kollisio-
nen zu beobachten. Dies la¨sst sich auf einen sta¨rker werdenden Einfluss des
Mediums bei ho¨heren Dichten bzw. bei la¨ngeren Wegstrecken der Partonen im
Mediumzuru¨ckfu¨hren. DesWeiteren sagentheoretischeRechnungenunterEin-
beziehungvonnuklearenEffektenimAnfangszustandvorhartenParton-Parton
KollisioneneineErh¨ohungderMultiplizita¨tbeihohenTransversalimpulsenvor-
aus. OhneMediumeffekte im Endzustandwu¨rdensomit Werte vonR gro¨ßerAA
als eins erwartet.
Die Unterdru¨ckung von Hadronen mit hohem Transversalimpuls resultiert aus
demEnergieverlustvonPartonenimMediumeinerSchwerionenkollision. Somit
a¨ndert sich die Form als auch die Energie der oben beschriebenen Jets von
Hadronen in Kern-Kern (A-A) Kollisionen relativ zu den Erwartungen aus
Nukleon-Nukleon (p-p, n-n, n-p, p-n) Kollisionen.
In elementaren Proton-Proton Kollisionen lassen sich solche Jets direkt u¨ber
dieIdentifizierungvonGruppen(cluster)vonHadronennachweisen. InSchwer-
ionenkollisionenhingegenistdiesaufgrunddesgroßenhadronischenUntergrun-
dessehrschwierig. EswirddaherindieserArbeiteinandererZugangzurAnal-
yse der Jetereignisse gewa¨hlt.
Unter der Annahme, dass die Partonen vor ihrer Kollision keinen Transver-
salimpuls besitzen, sollten die Partonen und die damit aus ihnen entstehenden
Jetsinentgegengesetzter RichtungindertransversalenEbeneemittiertwerden.
Somit ergeben sich Korrelationen zwischen den Teilchen solcher Jets (Jetkor-
relationen) im azimutalen Winkel φ. Sucht man in einer Kollision eines dieser
Jetteilchen (Trigger)undbildetdieWinkeldifferenzen ΔφmitanderenTeilchen
(assoziierte Teilchen) in diesem Ereignis, ergibt sich eine charakteristische Sig-
nalverteilung mit einer Erh¨ohungnahe dem Trigger (Δφ≈0, near-side) und in
entgegengesetzter Richtung (Δφ≈π, away-side).
Ein wesentlicher Bestan