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Search for upsilons in heavy-ion collisions with the STAR detector
(2005)
- Die Struktur der uns umgebenden Materie sowie die zwischen ihren Bestandteilen wirkenden Kräfte waren schon immer eine der zentralen wissenschaftlichen Fragestellungen. Nach den gegenwärtigen Erkenntnissen ist die uns umgebende Materie aus einigen wenigen Elementarteilchen aufgebaut; sechs Quarks und sechs Leptonen. Zwischen ihnen wirken vier fundamentale Kräfte; die starke, die schwache, die elektromagnetische und die Gravitationskraft. Dominierende Kraft zwischen Quarks ist auf kleinen Skalen, wie im Inneren von Nukleonen, die starke Kraft. Die sie beschreibende Theorie ist die Quantum Chromo Dynamic (QCD). Eine besondere Eigenschaft der QCD ist die Vorhersage, dass Quarks nur in gebundenen Zuständen auftreten, entweder als Paar (Mesonen) oder als Kombination aus drei Quarks (Baryonen). Tatsächlich wurden bisher keine freien Quarks experimentell gefunden. Dieses Phänomen wird als ?confinement? bezeichnet. Es stellt sich die Frage, ob es möglich ist, einen Materiezustand zu erzeugen in welchem sich die Quarks in einem ausgedehnten Volumen wie freieTeilchen verhalten. Tatsächlich sagen theoretische Berechnungen einen solchen Zustand, das Quark-Gluon-Plasma, für sehr hohe Temperaturen und/oder Dichten voraus. Ultrarelativistische Schwerionenkollisionen sind die einzige derzeit bekannte Möglichkeit, die nötigen Temperaturen und Dichten im Labor zu erreichen. Erschwert wird die Interpretation des hierbei erzeugten Materiezustandes durch die Tatsache, dass im Experiment nur der hadronische Endzustand der Kollision beobachtet werden kann, auf Grund der sehr kurzen Zeitskala jedoch nicht die erzeugte Materie selbst. Trotzdem wurden inzwischen einige Observablen gemessen, die einen Rückschluss auf den Materiezustand in den frühen Phasen der Kollision zulassen. Die kombinierte Information legt die Bildung eines ?deconfinten? Zustandes nahe. Eine dieser Proben ist die Produktion von schweren Quarkonia, d.h. Mesonen, die aus charm-anticharm (bzw. bottom-antibottom) Quarkpaaren bestehen. Wie in Kapitel 2 näher erläutert, kann von ihrer Produktion möglicherweise auf die in der Kollision erreichte Temperatur geschlossen werden. Das bisherige experimentelle Programm konzentrierte sich auf die Messung des J/Ã Mesons, dem 1S Zustandes des charm - anticharm Systems. Wie von der Theorie vorhergesagt, wurde eine Unterdrückung seiner Produktion in Schwerionenkollisionen relativ zur Produktion in Proton-Proton-Kollisionen beobachtet, z.B. vom Experiment NA50 am SPS Beschleuniger des Europäischen Zentrums für Teilchenphysik CERN, wie in Abbildung 2.2 gezeigt.Die Deutung dieser Meßdaten ist jedoch umstritten. Neben einer Interpretation im Rahmen des oben beschriebenen Modells können die Daten sowohl von hadronischen Modellen als auch von statistischen Hadronisierungsmodellen, die eine Bildung des cc Zustandes nicht in den initialen Partonkollisionen, sondern erst beim ?Ubergang zum hadronischen Endzustand annehmen, beschrieben werden. Eine Möglichkeit, einzelne Modelle zu falsifizieren bzw. einige der Modellparameter weiter einzuschränken, besteht in der Messung anderer Quarkonia Zustände als dem J/Ã Meson. Hier wären zum einen die anderen Zustände der cc Familie zu nennen, z.B. das Âc(1P). Dieses ist jedoch durch seine Zerfallskanäle experimentell nur schwer nachzuweisen. Eine andere Möglichkeit bietet die Messung von Bindungszuständen zwischen bottom Quarks. Das bb System hat durch die grössere Massendifferenz zwischen dem ersten Bindungszustand, dem ?(1S), und der für die Erzeugung zweier Hadronen mit jeweils einem bottom und einem leichten Quark, wesentlich mehr Zustände als das cc System. Experimentell sind durch den Zerfallskanal in zwei Leptonen insbesondere die Upsilon gut nachzuweisen.Die Messung von Upsilons in ultrarelativistischen Schwerionenkollisionen ist jedoch experimentell äusserst herausfordernd. Durch die große Masse von circa 10 GeV/c2 ist die Produktionswahrscheinlichkeit sehr klein im Vergleich zu leichteren Teilchen, zum Beispiel dem nur 3.14 GeV/2 schwerem J/Ã. Der im Jahr 2000 in Betrieb genommene Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC, siehe Kapitel 3.1) des Brookhaven National Laboratories (BNL) auf Long Island in der Nähe vonNew York erreicht zum ersten Mal eine ausreichend grosse Schwerpunktsenergie und Luminosit ät, welche eine Upsilon Messung möglich erscheinen lassen. Die Entwicklung des experimentellen Programms zur Messung von Upsilons mit dem STAR Detektor am RHIC und erste Ergebnisse aus der Strahlzeit der Jahre 2003/2004 werden in dieser Arbeit beschrieben. Herzstück des STAR Detektors, der in Kapitel 3.2 näher beschrieben wird, ist eine Time Projection Chamber (TPC) welche die Rekonstruktion geladener Teilchen in einem grossen Phasenraumbereich bei mittlerer Rapidität erlaubt. In den Jahren 2001 bis 2005 wurde das Experiment um elektromagnetische Kalorimeter (BEMC, EEMC) erweitert, mit welchen zusätzlich die Energie von Photonen und Elektronen bestimmt werden kann. Die verschiedenen Detektoren des STAR Detektorsystems können in zwei, durch ihre mögliche Ausleserate definierte, Klassen eingeteilt werden. Ein Teil der Detektoren wird bei jedem RHIC Bunch Crossing ausgelesen, d.h. mit einer Frequenz von 9.3 MHz. Zu dieser Klasse der sogenannten Triggerdetektoren gehören unter anderem das schon erwähnte elektromagnetische Kalorimeter, der Central Trigger Barrel (CTB), die Zero Degree Calorimeter (ZDC) und die Beam-Beam Counter (BBC). Die Time Projection Chamber und einige andere Detektoren, wie z.B. der Silicon Vertex Tracker (SVT), können im Gegensatz dazu nur mit maximal 100 Hz ausgelesen werden.
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Energy and centrality dependence of deuteron and proton production in Pb+Pb collisions at relativistic energies
(2004)
- The transverse mass mt distributions for deuterons and protons are measured in Pb+Pb reactions near midrapidity and in the range 0<mt–m<1.0 (1.5) GeV/c2 for minimum bias collisions at 158A GeV and for central collisions at 40 and 80 A GeV beam energies. The rapidity density dn/dy, inverse slope parameter T and mean transverse mass <mt> derived from mt distributions as well as the coalescence parameter B2 are studied as a function of the incident energy and the collision centrality. The deuteron mt spectra are significantly harder than those of protons, especially in central collisions. The coalescence factor B2 shows three systematic trends. First, it decreases strongly with increasing centrality reflecting an enlargement of the deuteron coalescence volume in central Pb+Pb collisions. Second, it increases with mt. Finally, B2 shows an increase with decreasing incident beam energy even within the SPS energy range. The results are discussed and compared to the predictions of models that include the collective expansion of the source created in Pb+Pb collisions.
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Evidence for an exotic S=-2, Q=-2 baryon resonance in proton-proton collisions at the CERN SPS
(2004)
- Results of resonance searches in the Xi - pi -, Xi - pi +, Xi -bar+ pi -, and Xi -bar+ pi + invariant mass spectra in proton-proton collisions at sqrt[s]=17.2 GeV are presented. Evidence is shown for the existence of a narrow Xi - pi - baryon resonance with mass of 1.862±0.002 GeV/c2 and width below the detector resolution of about 0.018 GeV/c2. The significance is estimated to be above 4.2 sigma . This state is a candidate for the hypothetical exotic Xi --3/2 baryon with S=-2, I=3 / 2, and a quark content of (dsdsu-bar). At the same mass, a peak is observed in the Xi - pi + spectrum which is a candidate for the Xi 03/2 member of this isospin quartet with a quark content of (dsusd-bar). The corresponding antibaryon spectra also show enhancements at the same invariant mass.
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Disappearance of back-to-back high-pT hadron correlations in central Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV
(2003)
- Azimuthal anisotropy (v2) and two-particle angular correlations of high pT charged hadrons have been measured in Au+Au collisions at sqrt[sNN]=130 GeV for transverse momenta up to 6 GeV/c, where hard processes are expected to contribute significantly. The two-particle angular correlations exhibit elliptic flow and a structure suggestive of fragmentation of high pT partons. The monotonic rise of v2(pT) for pT<2 GeV/c is consistent with collective hydrodynamical flow calculations. At pT>3 GeV/c, a saturation of v2 is observed which persists up to pT=6 GeV/c.
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Centrality and pseudorapidity dependence of charged hadron production at intermediate pT in Au+Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV
(2004)
- We present STAR measurements of charged hadron production as a function of centrality in Au+Au collisions at sqrt[sNN ]=130 GeV . The measurements cover a phase space region of 0.2< pT <6.0 GeV/c in transverse momentum and -1< eta <1 in pseudorapidity. Inclusive transverse momentum distributions of charged hadrons in the pseudorapidity region 0.5< | eta | <1 are reported and compared to our previously published results for | eta | <0.5 . No significant difference is seen for inclusive pT distributions of charged hadrons in these two pseudorapidity bins. We measured dN/d eta distributions and truncated mean pT in a region of pT > pcutT , and studied the results in the framework of participant and binary scaling. No clear evidence is observed for participant scaling of charged hadron yield in the measured pT region. The relative importance of hard scattering processes is investigated through binary scaling fraction of particle production.
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Azimuthal anisotropy in Au+Au collisions at SNN=200GeV
(2005)
- The results from the STAR Collaboration on directed flow (v1), elliptic flow (v2), and the fourth harmonic (v4) in the anisotropic azimuthal distribution of particles from Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV are summarized and compared with results from other experiments and theoretical models. Results for identified particles are presented and fit with a blast-wave model. Different anisotropic flow analysis methods are compared and nonflow effects are extracted from the data. For v2, scaling with the number of constituent quarks and parton coalescence are discussed. For v4, scaling with v22 and quark coalescence are discussed.
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Open charm yields in d+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV
(2005)
- Midrapidity open charm spectra from direct reconstruction of D0(D0-bar)-->K± pi ± in d+Au collisions and indirect electron-positron measurements via charm semileptonic decays in p+p and d+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV are reported. The D0(D0-bar) spectrum covers a transverse momentum (pT) range of 0.1<pT<3 GeV/c, whereas the electron spectra cover a range of 1<pT<4 GeV/c. The electron spectra show approximate binary collision scaling between p+p and d+Au collisions. From these two independent analyses, the differential cross section per nucleon-nucleon binary interaction at midrapidity for open charm production from d+Au collisions at BNL RHIC is d sigma NNcc-bar/dy=0.30±0.04(stat)±0.09(syst) mb. The results are compared to theoretical calculations. Implications for charmonium results in A+A collisions are discussed.
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Azimuthal anisotropy and correlations at large transverse momenta in p+p and Au+Au collisions at sqrt[sNN] = 200 GeV
(2004)
- Results on high transverse momentum charged particle emission with respect to the reaction plane are presented for Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200 GeV. Two- and four-particle correlations results are presented as well as a comparison of azimuthal correlations in Au+Au collisions to those in p+p at the same energy. The elliptic anisotropy v2 is found to reach its maximum at pt~3 GeV/c, then decrease slowly and remain significant up to pt ~ 7-10 GeV/c. Stronger suppression is found in the back-to-back high-pt particle correlations for particles emitted out of plane compared to those emitted in plane. The centrality dependence of v2 at intermediate pt is compared to simple models based on jet quenching.
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Transverse-momentum dependent modification of dynamic texture in central Au+Au collisions at sqrt[sNN]=200GeV
(2005)
- Correlations in the hadron distributions produced in relativistic Au+Au collisions are studied in the discrete wavelet expansion method. The analysis is performed in the space of pseudorapidity (| eta | <= 1) and azimuth(full 2 pi ) in bins of transverse momentum (pt) from 0.14 <= pt <= 2.1GeV/c. In peripheral Au+Au collisions a correlation structure ascribed to minijet fragmentation is observed. It evolves with collision centrality and pt in a way not seen before, which suggests strong dissipation of minijet fragmentation in the longitudinally expanding medium.
