Nachweiswahrscheinlichkeiteines Streamer-Tube-Detektors. Diplomarbeit

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1 Untersuchungenzur ExperimentellePhysik Nachweiswahrscheinlichkeiteines Streamer-Tube-Detektors Diplomarbeit WestfalischeWilhelms-UniversitatMunster StefanBathe von InstitutfurKernphysik Marz1997

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3 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1Grundlagen 1.1StarkeWechselwirkungundQuark-Gluon-Plasma::::::::3 1.2UltrarelativistischeSchwerionenreaktionen::::::::::::8 31 2DasWA98-Experiment 1.2.2SignaleeinesQuark-Gluon-Plasmas:::::::::::: EigenschaftenultrarelativistischerSchwerionenstoe:::8 2.3Teilchenspektrometrie:::::::::::::::::::::::19 2.2Ereignisklassizierung:::::::::::::::::::::::18 2.1Startsignal:::::::::::::::::::::::::::::: Multiplizitatsmessung::::::::::::::::::::::::21 2.5NachweisdirekterPhotonen:::::::::::::::::::: MultiplizitatgeladenerTeilchen:::::::::::::: Teilchenidentizierung::::::::::::::::::: AufbauundFunktionsprinzipdesLEDA::::::::: Photonenmultiplizitat:::::::::::::::::::24 i

4 ii 3DerStreamer-Tube-Detektor 3.1Streamer-Tubes::::::::::::::::::::::::::: Aufbau::::::::::::::::::::::::::::28 INHALTSVERZEICHNIS 3.1.2ErzeugungeinesStreamers:::::::::::::::::29 4Testmessungen 3.2Datenauslese::::::::::::::::::::::::::::31 4.1ExperimentellerAufbauderTestmessungen::::::::::: DerAuslesechip::::::::::::::::::::::: WeitereElementederAuslese:::::::::::::::32 4.3ADC-Schwelle::::::::::::::::::::::::::::4 4.2Nachweiswahrscheinlichkeit::::::::::::::::::::: LeistungsmerkmaledesStreamer-Tube-Detektors 4.4Cluster-Eigenschaften::::::::::::::::::::::::42 5.1ADC-Schwelle::::::::::::::::::::::::::::47 4.5EntladungszeitderPads::::::::::::::::::::::45 5.2Multiplizitatsmessung::::::::::::::::::::::::5 5.3Nachweiswahrscheinlichkeit::::::::::::::::::::: RelativpositionenvonLEDAundSPMD::::::::: Abstandskriterium:::::::::::::::::::::68 6ZusammenfassungundAusblick 5.4Teilchenidentizierung::::::::::::::::::::::: Algorithmus::::::::::::::::::::::: Algorithmus:::::::::::::::::::::::72 93

5 INHALTSVERZEICHNIS AAnhang A.1VariablenderSchwerionenphysik:::::::::::::::::95 A.2TabellezurNachweiswahrscheinlichkeit::::::::::::::96 iii A.3DasAuslese-Board:::::::::::::::::::::::::96

6 iv INHALTSVERZEICHNIS

7 ineinemgroenreaktionsvolumenerzeugt.dabeiwirdeinubergangder Einleitung InKollisionenhochenergetischerschwererIonenwirdeinehoheEnergiedichte KernmaterieineinenbishernichtbeobachtetenMateriezustanderwartet,das Quark-Gluon-Plasma.IndiesemZustandsolltederEinschluderQuarksin Nukleonenaufgehobensein,sodasichdurchdielangreichweitigeKomponente derstarkenwechselwirkungbedingtekollektiveeektebeobachtenlassen. reaktionen,alsvielmehreineruntersuchungdereigenschaftendesdetektors. bendet,giltdasinteressedabeiwenigerderbeschreibungderschwerionen- Detektor,derbeieinemdieserExperimentezurMultiplizitatsmessunggeladenerTeilchenundalsVeto-DetektorfureinelektromagnetischesKalorimeter GegenstanddieserArbeitsindUntersuchungenmiteinemStreamer-Tube- eingesetztwird.dasichdieauswertungderdatennochimanfangsstadium WechselwirkungunddesQuark-Gluon-Plasmas.AnschlieendwerdeneinfacheModellezurBeschreibungvonKollisionenhochenergetischerAtomkerne vorgestellt.dabeiwirddaraufeingegangen,wiesichderneuemateriezustand DieArbeitbeginntmiteinerkurzenEinfuhrungindieTheoriederstarken experimentellerfassenliee. undfunktionsprinzipdesstreamer-tube-detektorswerdenimdrittenkapitel ausfuhrlicherbehandelt. desschwerionenexperimentsdurchgefuhrtwurden. ImzweitenKapitelwirddasSchwerionenexperimentskizziert.Aufbau diemitdemstreamer-tube-detektorgemessenemultiplizitatsverteilungge- DasfunfteKapitelbildetdenHauptteilderArbeit.Hierwirdzunachst ImviertenKapitelfolgenUntersuchungen,dieimLaborzurVorbereitung 1

8 2ladenerTeilchenvorgestellt.DabeiinErscheinungtretendeFehlerwerden diskutiert.esfolgteinesystematischeuntersuchungdernachweiswahrscheinlichkeitdesdetektors.dasergebnisdieseruntersuchungwirdmitderezienz derunterdruckunggeladenerteilchenimelektromagnetischenkalorimeter Einleitung verglichen.

9 1.Grundlagen NachdenErkenntnissenderheutigenPhysiksinddieelementarenBausteine 1.1StarkeWechselwirkungund QuarksundLeptoneneinteilen.DieseBausteinetretendurchdenAustausch dermateriefermionen,teilchenmithalbzahligemspin.sielassensichin virtuellerbosonenmiteinanderinwechselwirkung.bosonentrageneinen Quark-Gluon-Plasma derelektromagnetischenkraft,dasphoton,nuraufgeladeneteilchen. bestimmtebosonenvermittelt.sowirktbeispielsweisedasaustauschteilchen ganzzahligenspin.essindvierverschiedenewechselwirkungenbekannt.jede istmitbestimmteneigenschaftenderfermionenverbundenundwirddurch denquarksheitstarkewechselwirkung.siebewirktdenzusammenhaltvon QuarksinHadronen,hataberkeinenEinuaufLeptonen. wiez.b.dasproton,dieausdreiquarksbestehen,undmesonen,z.b.pionen, dieauseinemquark-antiquark-paargebildetwerden.diekraftzwischen DiestarkeWechselwirkungwirderfolgreichdurchdieQuantenchromody- QuarkssinddieKonstituentenderHadronen.ManunterscheidetBaryonen, namik(qcd)beschrieben.siewurdenachdemvorbildderquantenelek- farblosesystemealsfreieteilchenauftreten,soerhaltmaneinebeschreibung selwirkung.inanalogiezurladunginderqedtragendiequarksinder trodynamik(qed)entwickelt,dertheoriederelektromagnetischenwech- dafur,daimexperimentnurkombinationendreierquarks(baryonen)oder Quark-Antiquark-Paare(Mesonen)beobachtetwerden(Quarkeinschlu).An KombinationvonFarbeundAntifarbe,heitfarblos.Fordertman,danur QCDeineFarbladung.SiekanndreiWerteannehmen,diemitrot,grunund diefarbladungkoppelndieaustauschteilchenderstarkenwechselwirkung,die blaubezeichnetwerden.diekombinationderdreifarben,ebensowiedie 3

10 4Gluonen1.GluonensindmasselosundtragenselbstFarbladungen.Siekonnen deshalbauchuntereinanderinwechselwirkungtreten.dasisteinwichtiger UnterschiedzurQED,beiderdieAustauschteilchen,diePhotonen,elektrisch neutralsind. Kapitel1:Grundlagen Wechselwirkung,diedenEigenschaftenderQEDentgegengesetztsind.Das wirdanderkopplungskonstantensderstarkenwechselwirkungdeutlich. vomimpulsubertragqdarstellen: SiebestimmtdieStarkederWechselwirkung.slatsichinAbhangigkeit DieSelbstwechselwirkungderGluonenfuhrtzuEigenschaftenderstarken s(q2)= Bln(q2=2)mitB=(33 2Nf)=12 1 wirdsklein.imgrenzfallverhaltsichdasquarkwieeinfreiesteilchen NfgibtdieZahlderQuarksortenan.DerParameterdientzurNormierung aufeinentypischenimpulsubertrag. FurgroeImpulsubertrageq(gleichbedeutendmitkleinenAbstanden) (1.1) (asymptotischefreiheit). lungderqcd.diestorungstheorie,mitderenhilfedieqedzuprazisenvor- hersagengelangt,latsichaufdenlangreichweitigenteilderwechselwirkung stante.darauserwachsteineschwierigkeitbeidermathematischenbehand- nichtanwenden.esistjedochgeradedieserbeitrag,derdaspotentialeines QuarksineinemHadronbestimmt([Per87]). FurkleineImpulsubertrage(groeAbstande)divergiertdieKopplungskon- einvierdimensionalesgitter.diesesverfahrenistaufwendigunderfordertden EinsatzmodernerComputer. diskretepunkteberechnet.diediskretisierungentsprichtderabbildungauf PotentialwirddabeinichtfurdiekontinuierlicheRaumzeit,sondernnurfur NachderGittereichtheoriefuhrtderlangreichweitigeTeilderWechselwirkungimGrundzustandderMateriezueinemEinschluvonQuarksin EinAuswegwirduberdieGittereichtheorie([Wil74])beschritten.Das Hadronen(Connement).ZwischendiesenfarblosenSystemenverschwindet 1engl.glue:Leim

11 1.1.StarkeWechselwirkungundQuark-Gluon-Plasma diestarkewechselwirkungannahernd.auerdemistdiechiralesymmetrie "spontangebrochen\. nichtvonderwechselwirkungbeeinutwird.diehandigkeitwirddurchdie UnterchiralerSymmetrieverstehtman,dadieHandigkeitderTeilchen 5 einevonnullverschiedenemasse,solatsichseinebewegungsrichtungund OrientierungvonSpinundBewegungsrichtungbestimmt.HateinTeilchen weisedavongesprochenwerden,dadiechiralesymmetrienichtdurchdie damitauchseinehandigkeitumkehren.diemassederleichtenquarks,uund d,istkleinimvergleichzurmasseeineshadrons.deshalbkannnaherungs- bezeichnet.sieauertsichzumbeispielimgroenmassenunterschiedvonpion undnukleon. (undumgekehrt).daswirdals"spontanebrechung\derchiralensymmetrie demdurchdiestarkewechselwirkungineinrechtshandigesuberfuhrtwerden Quarkmassengebrochenist.AusdruckdavonistdieIsospinsymmetrie. DieGittereichtheoriesagteinenweiterenZustandvonQuarkmaterie ImGrundzustandvonQuarkmateriekanneinlinkshandigesQuarktrotz- alsquark-gluon-plasmabezeichnet.beieinerkritischentemperaturtc odereinerkritischendichtecwirdeinphasenubergangindiesenzustand vorhergesagt.wegendesdeconnementsderquarksundgluonensteigtdabei diezahlderfreiheitsgradedessystemsstarkan.fallsdeconnementund (Deconnement)unddiechiraleSymmetriewiederhergestelltsein.Erwird voraus.indiesemangeregtenzustandsolltederquarkeinschluaufgehoben ([Shu88]). WiederherstellungderchiralenSymmetrienichtbeigleicherkritischerTemperaturoderDichteerfolgen,kommteszuzweiverschiedenenPhasenubergangen Hadronenerreichtwerden.DieQuarkskommensichdurchdieAnregungso nah,daihrefarbladungvonbenachbartenquarksabgeschirmtwird.sowird bewirktwerden.dabeiwerdenmesonenproduziert,welchedenraumzwischen denhadronenausfullen.einuberlappkannebensodurchkompressionder zwungen,sichzuuberlappen(vgl.abb.1.1).dieskanneinmaldurcherhitzen VereinfachtbetrachtetwerdendieHadronenimangeregtenZustandge- diebindungzudenursprunglichenpartnernaufgelost. EineerstequantitativeBeschreibungdesPhasenubergangsliefernsoge-

12 6 Kapitel1:Grundlagen HG Erhitzen Kompression Erhöhung der Dichte sindmasselose,nichtmiteinanderinwechselwirkungtretendequarksinein Abbildung1.1:ZurVeranschaulichungdesUbergangsderQuarkmaterievom raumlichbegrenztesvolumeneingeschlossen,dasalsbagbezeichnetwird. nanntebag-modelle.nachdemmit-bagmodell([cho74])eineshadrons Hadronengas(HG)zumQuark-Gluon-Plasma. BundinneremDruckderQuarks,derdurchthermischeBewegungund Fermienergieverursachtwird.DerBagdruckwirdeingefuhrt,umdienicht DasConnementergibtsichauseinemGleichgewichtzwischenBagdruck QGP derstarkenwechselwirkungzuberucksichtigen.erlatsichunterannahme eineraufdemranddesbagsverschwindendenquark-wellenfunktionzuca. werden: storungstheoretischbeschreibbarenauswirkungendeslangreichweitigenteils 2MeVberechnen.DasDeconnementkannuberverschiedeneWegeerreicht sichbeieinerbaryondichte=einwertvonca.14mev.nochhohere dadiequarkmaterieindasquark-gluon-plasmaubergeht.furtcergibt Quarkmaterienichtmehrhalten.DerQuarkeinschluistaufgehoben,so derquarksverursachtendrucksteigen.beiderkritischetemperaturtc uberschreitetdieserdruckschlielichdenbagdruck.dasbagkanndie EineErhohungderTemperaturlatdendurchdiethermischeBewegung

13 1.1.StarkeWechselwirkungundQuark-Gluon-Plasma 7 T Urknall QGP Abbildung1.2:PasendiagrammvonKernmaterie.DerGrundzustandliegtbei T Quark-Gluon-Plasmauberschritten.DerPhasenubergangvomQGPzumHadronengasnachdemUrknallwirdbeigeringerBaryonendichteundhoherTemperatur T=und=.BeiT=Tcoder=cwirddiePhasengrenzezum c Schwerionenreaktionen Neutronen- Hadronengas TemperaturenherrschtenunmittelbarnachdemUrknall.DasfruheUniversum nenkollisionensolleinqgpbeimittlerendichtenundtemperaturenerzeugtwerden. BaryonendichteundkleinerTemperaturvorliegen.InhochenergetischenSchwerio- vermutet.dagegenkonnteiminnernvonneutronensterneneinqgpbeihoher ρ ρ c ρ konntedemnacheinquark-gluon-plasmagewesensein,bevoreinubergang Baryonendichte,derDichtedesUberschussesanQuarksgegenuberAntiquarks. zuhadronischermaterieerfolgte(s.abb.1.2). vonkernmaterieimgrundzustand(=,17fm 3).Eswirdvermutet, cca.,72fm 3.SieistetwaviermalsogrowiedieBaryonendichte SteigtdieseDichte,sosteigtauchdieFermienergieunddamitderDruckder Quarks.BeieinerTemperaturT=KbetragtdiekritischeBaryonendichte EinandererWegzumQuark-Gluon-PlasmafuhrtubereineErhohungder Gravitationuberschrittenwird(s.Abb.1.2,[Won94]). daineinigenneutronensternendiekritischebaryonendichteaufgrundder

14 zwischendenobenbeschriebenenextremen([won94]).inerstenexperimenten 8Materiezustanderreichtwerdenkonnen,derjenseitsdererwartetenPhasen- grenzezumquark-gluon-plasmaliegt.temperaturunddichtelagendabei InhochenergetischenKollisionenvonAtomkernensollteimLaborein Kapitel1:Grundlagen gemessen([qua96]). 1.2Ultrarelativistische wirdtatsachlicheinetemperaturimbereichdeserwartetenphasenubergangs 1.2.1Eigenschaftenultrarelativistischer Schwerionenreaktionen einenphasenubergangnotigeenergiedichteineinemmoglichstgroenreaktionsvolumenerzeugtwerden.daswirddurchstoeschwererionenbei UmdieBedingungenfureinenPhasenubergangzumQuark-Gluon-Plasma unddasplasmaselbstexperimentelluntersuchenzukonnen,mudiefur Schwerionenstoe demnurdiejenigennukleonenbeteiligtsind,diesichimbereichdesgeometrischenuberlappsderstopartnerbenden(vgl.abb.1.3).diesenukleonen WellencharakterderReaktionspartnervernachlassigtwerden.DieReaktion alsultrarelativistischbezeichnet([cse94]).beidiesenenergienkannder latsichdannnaherungsweisealsstoklassischerteilchenbeschreiben,bei Schwerpunktsenergienoberhalb1GeVproNukleon2erreicht.Siewerden Projektilfragmente.Jekleinersieist,destogroeristdasReaktionsvolumen. inprojektilrichtungverlat.sieentsprichtderenergieder"zuschauenden\ Reaktion.SietragendenNamen"Spectators\.DasReaktionsvolumenkann nachdiesemmodellausderenergiebestimmtwerden,diediereaktionszone heien"participants\.dieubrigennukleonenbleibenunbeeinutvonder Nukleon-Nukleon-Stoeabgebremst.AusderkinetischenEnergiederNukleonenentstehendabeineueHadronen,diewiederinelastischmitanderen 2GeVproNukleonwirdimfolgendenauchmitAGeVbezeichnet. InderReaktionszonewerdendieKernbruchstuckezunachstdurchharte

15 1.2.UltrarelativistischeSchwerionenreaktionen 9 Projektil-Spectators a) b Participants Abbildung1.3:GeometrischesModelleinesSchwerionenstoesimSchwerpunktsystem.AufgrundderLorentzkontraktionerscheinendieKerneabgeacht.Im einemfeuerball. UberlappbereichvonProjektilundTargetbildetsichein"Feuerball\. tionszeiteineshadronsundvonderlebenszeitdesfeuerballsab.letztere nommen,daderfeuerballsolangebesteht,wiedasmitlichtgeschwindigkeit iegendeprojektilbenotigt,umdastargetzudurchdringen.dassindeinige latsichausdergroedesreaktionsvolumensabschatzen.dazuwirdange- fm/calsoungefahr1 23s.DieFormationszeitistdieZeit,dieeinHadronzur ObeinevollstandigeThermalisierungerreichtwird,hangtvonderForma- Target-Spectators b) Hadronenkollidieren.DasSystemheiztsichauf.Mansprichtdeshalbvon behandeltwird.beienergienvonca.1agevimschwerpunktsystemwirddabungliefernhydrodynamischemodelle,indenenderfeuerballalsflussigkeit Entstehungbenotigt.Sieistnichtgenaubekannt. InjedemFallistderFeuerballeindynamischesSystem.DiebesteBeschrei-

16 1 Kapitel1:Grundlagen dn/dy a) Fermi-Landau-Modell(b). Abbildung1.4: ErwarteteRapiditatsverteilungdesFeuerballsimBjrken-McLerran-(a)undim nacheinvollstandigesabstoppenderamstobeteiligtennukleonenerwartet. b) DieParticipantsvonProjektilundTargetbendensichnachderReaktion zusammenmitdenproduziertenteilchenimzentralenrapiditatsbereich3 (vgl.abb.1.4b).fallseszueinemphasenubergangkommt,entstehtein y y baryonenreichesquark-gluon-plasma(fermi-landau-bild4). einteilderkinetischenenergiedesprojektilsinderreaktionszonedeponiert. DieRestenergiederNukleonenistsogro,dadiesedasTargetdurchdringen undsodenfeuerballwiederverlassen.aufdieseweisekanneinquark-gluon- FurhohereEnergien,abca.1AGeVimSchwerpunktsystem,wirdnur Projektil Bild5([Won94]). bendensichnachderreaktionannaherndimrapiditatsbereichderspecta- tors(vgl.abb.1.4a).diesevorstellungentsprichtdembjrken-mclerran- PlasmageringerBaryonendichteentstehen.Projektil-undTargetparticipants 3DieRapiditatisteinMafurdieLongitudinalgeschwindigkeit,vgl.AnhangA 4nach[Lan53] 5nach[McL82] DerReaktionsverlaufwirdnach[Bjo83]wiefolgtbeschrieben(vgl.

17 1.2.UltrarelativistischeSchwerionenreaktionen 11 Ausfrieren Zeit Hadronengas Raum-Zeit-Diagramm. Abbildung1.5:EntwicklungeinerSchwerionenreaktionnachBjrkenim gemischte Phase Quark-Gluon-Plasma Abb.1.5):NacheinerVorgleichgewichtsphasekannsichbeiausreichenderTemperaturundDichteeinQuark-Gluon-PlasmaimthermischenGleichgewicht Ort zunachsteinegemischtephase,bisschlielichdiegesamtereaktionszone ausbilden.beideranschlieendenexpansionkuhltsichdiereaktionszone adiabatischabundderubergangzumhadronengassetztein.esentsteht Kern A Kern B hadronisiertist.wahrendderweiterenexpansionverlierendiehadronen denraumlichenkontaktzueinander,sodakeinewechselwirkungmehr stattndenkann.mansprichtvom"ausfrieren\derhadronen.diereaktion endetmitdemaussendenderteilchen.derreaktionsverlaufwirddurch globalevariablenwieenergiedichtedesfeuerballsundrapiditatsverteilung derreaktionsproduktebeschrieben.siekonnenexperimentellausdenmultiplizitatsverteilungendergeladenenteilchenundderphotonenbestimmt werden SignaleeinesQuark-Gluon-Plasmas Wennesgelingt,einQuark-Gluon-PlasmaineinerhochenergetischenSchwerionenreaktionzuerzeugen,munachgeeignetenSignalengesuchtwerden,

18 12 umeszuidentizieren.esbestehtkonsens,dadieswegendermoglichkeit, dieeinzelnensignaleauchalternativzudeuten,nurdurchdiegleichzeitige BeobachtungmehrererSignalegelingenkann([Won94]).Haugdiskutierte Signalewerdenimfolgendenkurzvorgestellt. Kapitel1:Grundlagen Reaktion.AllerdingswerdensievoneinemhohenUntergrundinhadronischer ElektromagnetischeSignale WechselwirkungproduzierterLeptonenundPhotonenuberlagert. InderPlasmaphaseproduzierteLeptonenundPhotonenkonnendieReaktionszonenahezuungehindertverlassen,dasienichtderstarkenWechselwirkungunterliegen.SieliefernsomitInformationenausderfruhenPhaseder ErzeugungvonLeptonenpaaren thermodynamischenzustanddesplasmasbestimmtwird.dileptonen dieimpulsverteilungderquarkswieder,welchewiederumdurchden ProduktionsratesolcherDileptonenundihreImpulsverteilungspiegeln anschlieendineinlepton-antilepton-paarzerfallt(q+q!l++l ).Die mitseinemantiquarkeinvirtuellesphotongebildetwerden,welches ImQuark-Gluon-PlasmakannineinerWechselwirkungeinesQuarks tonenpaare.einengroenbeitragzurproduktionsrateliefernwech- selwirkungenvonvalenzquarkseinesnukleonsmitsee-antiquarksei- nesanderen(drell-yan-proze).aufdieseartkonnenebenfallsuber hungmitsich. DasQuark-Gluon-PlasmaistjedochnichtdieeinzigeQuellederLep- tragensomitinformationenuberdiesenzustandzurzeitihrerentste- ;!)produziert.diesebeitragemussengenauquantiziertwerden,um denanteilderausdemqgpstammendendileptonenzuseparieren ([Won94]). DileptonendurchdieVernichtungvonHadron-Antihadron-Paaren(z.B. ++!l++l )oderdenzerfallhadronischerresonanzen(z.b. virtuellephotonenleptonpaareerzeugtwerden.desweiterenwerden

19 1.2.UltrarelativistischeSchwerionenreaktionen ProduktiondirekterPhotonen wirddurchzweiprozessegeliefert:diequark-antiquark-anihilation,bei welchereinphotonundeingluonentstehen(q+q!+g)und DerHauptbeitragzurPhotonenproduktionimQuark-Gluon-Plasma 13 auchcomptonstreuunggenannt.dieindiesenreaktionenproduzierten Photonenheien"direktePhotonen\.SieliefernwiedieLeptonenpaare diequark-gluon-streuung,beiderdasgluonineinphotonubergeht direktenphotonenuberlagernunddeshalbuntersuchtwerdenmussen. InformationenuberdieThermodynamikderfruhenReaktionsphase. AuchhiergibteshadronischeProzesse,diesichmitdemSignalder (g+q!+qbzw.g+q!+q).letzterewirdinanalogiezurqed ZunennensindWechselwirkungenvonMesonen(z.B.++! +)undpartonischewechselwirkungenindenhartenstoender HadronischeSignale neutralermesonen.diesekonnenjedochaufstatistischerbasisrekonstruiertundsovomsignalderdirektenphotonengetrenntwerden([won94]). Vorgleichgewichtsphase. AuerdemgibteseinengroenUntergrundanPhotonenausZerfallen SolleninderPlasmaphaseproduziertehadronischeTeilchenzurIdentizierung desplasmasherangezogenwerden,somubedachtwerden,dadieseder starkenwechselwirkungunterliegenunddeshalbinderhadronischenphase, diesichandasquark-gluon-plasmaanschliet,starkbeeinutwerden. UnterdruckungdesJ= DieUnterdruckungdesJ= Signale.DasJ= ReaktiondurchharteNukleon-Nukleon-Stoegebildetwerden.Fallsin dergleichgewichtsphaseeinquark-gluon-plasmaentsteht,werdendie Paars.AufgrundseinergroenMassekannesnurinderfruhenPhaseder -MesonisteingebundenerlanglebigerZustandeinescc- Farbladungendescc-PaarsdurchdieumgebendenQuarksabgeschirmt -Mesonsisteinesderzuerstvorgeschlagenen (Debye-Screening).DieBindungdesJ= den.deshalbwirdeinegeringereanzahldiesermesonenprognostiziert. -Mesonkannaufgebrochenwer-

20 14ErklarungdesPhanomens,diealleinaufhadronischenProzessenberuht: Kollisionengemessenwerden.Jedochgibtesauchhiereinealternative TatsachlichkonnteinSchwerionenkollisioneneineUnterdruckung desj= -MesonsimVergleichzuProton-Proton-undProton-Kern- Kapitel1:Grundlagen ProduktionvonSeltsamkeit hadronischenreaktionenalskonstituentenfreierteilchenerzeugt.der DieBindungdescc-PaarskonntebeimDurchgangdesJ= SeltsamkeittragendeQuarks(s-Quarks)werdeninhochenergetischen hadronischematerieebensoaufgebrochenwerden([won94]). durch einfachsteprozedieserartistp+n!+k++n.diefureinesolche TemperaturimPlasmazustand.SiewirdalsointhermischenStoen bereitsbeieinerenergievon3mevein,entsprechenddermasse produziertenmesonenentspricht. ImQuark-Gluon-PlasmasetztdieassoziierteProduktionvonss-Paaren derfreienquarks.dieseenergieentsprichtdergroenordnungder ReaktionbenotigteMindestenergiebetragt7MeV,wasderMasseder Quark-Gluon-Plasmaerfolgt,wirdalsoeinevermehrteProduktionvon Seltsamkeiterwartet. ExperimentellkanneinUberschuanseltsamenQuarksbeispielsweise deschemischenpotentialsunterdruckt.fallseinphasenubergangzum assoziierteproduktionderleichtenquarks(u-undd-quark)aufgrund zurverfugunggestellt.zudemistineinembaryonenreichenplasmadie BildungeinesdisorientiertenchiralenKondensats aneinerveranderungdesgemessenenk+ wiederhergestelltsein.beidererneutensymmetriebrechungwahrend Wieobenbereitserwahnt,sollteimPlasmazustanddiechiraleSymmetrie werden([raf86]). +-Verhaltnissesnachgewiesen MultiplizitatsverhaltnissesgeladenerzuneutralenPionenauern,die disorientiertenchiralenkondensat.essolltesichinverschiebungendes zustand"eingefroren\werden.mansprichtindiesemfallvoneinem desphasenubergangszumhadronengaskonntedurcheineschnelle Abkuhlungeinetwasanderer,metastabilerZustandalsderAusgangs- uberdasstatistischzuerwartendemahinausgehen.

21 1.2.UltrarelativistischeSchwerionenreaktionen Magnetismusverglichenwerden,wobeieinerAbkuhlungDomanen DieBildungeinesdisorientiertenchiralenKondensatskannmitdem gleichermagnetischerausrichtung(weiss'schebezirke)gebildetwerden. TatsachlichwurdeeineVerschiebungdesMultiplizitatsverhaltnissesin 15 SignaledesPhasenubergangs hotman,solcheereignisseunterkontrolliertenbedingungenuntersuchenzukonnen. einzelnenhochenergetischenreaktionengemessen,dievonderkosmischenstrahlungausgelostwurden([lat8]).inschwerionenreaktionen CharakteristischerTemperatur-Entropie-Verlauf Entropiedichtenahezukonstantbleiben.ExperimentellkonnendieTemperaturuberdenmittlerenTransversalimpulsunddieEntropiedichte DieTemperatursolltealsowahrenddesPhasenubergangsbeisteigender EinPhasenubergangersterOrdnungzumQuark-Gluon-Plasmazeichnet sichdurchdasfreisetzeneinergroenanzahlneuerfreiheitsgradeaus. Multiplizitatsuktuationen Entropie-Verlaufausbildenwird([Hov82]). einthermodynamischesgleichgewichtimreaktionsvolumeneinstellt,ist esfraglich,obsicheinklarzuerkennendesplateauimtemperatur- uberdiemultiplizitatbestimmtwerden.dasichjedochnichtunbedingt Raumbereich,sondern,wiebeimSiedenvonWasser,explosionsartig, DieHadronisierungdesPlasmaswirdnichthomogenuberdengesamten konnteesdabeizuraumlichenfluktuationendermultiplizitatinnerhalb ausgehendvoneinzelnenpunktenerfolgen.durchsingulareeekte einzelnerereignissekommen.

22 16 Kapitel1:Grundlagen

23 Experimentemit28Pb-IoneneinerEnergievon158GeVproNukleondurchgefuhrtwerden.DieIonenwerdendazuaufruhendeBleikernegeschossen. 2.DasWA98-Experiment 2AGeVwirdsoeingroeresReaktionsvolumen,einegroereGesamtenergie ImVergleichzufruherenExperimentenmit16O-und32S-Projektilenbei (ca.33tev)undeinelangerelebensdauerdesangeregtenzustandsder AmSuper-Protonen-Synchrotron(SPS)desCERN1konnenseit1994erstmals Reaktionszoneerreicht.DadurchsolleineeindeutigeIdentizierungdesQuark- Gluon-Plasmasmoglichwerden. durchproduktehadronischerwechselwirkungenerforderneinemoglichst vollstandigebeschreibungderkernreaktionen.imwa98-experimentwird sowohlelektromagnetischealsauchhadronischesignalemessenlassen.den dazueinevielzahlunterschiedlicherdetektoreneingesetzt,mitdenensich AufbaudesgesamtenExperimentsillustriertAbbildung2.1.Imfolgendensoll DieVielfaltdermoglichenSignaturendesQGPundderenUberlagerung kurzaufdieaufgabenundbauweisedereinzelnendetektoreneingegangen werden. 2.1Startsignal DasEintreenvonProjektilendesBleistrahlswirdvonzweiGas-Cerenkov- Zahlernregistriert,diesichvordemTargetbenden.DurcheinKoinzidenzsignaldieserDetektorenlatsichderZeitpunkteinerReaktionmiteiner UrsprunginKernreaktionenderProjektilemitRestgasatomenimStrahlrohr Auosungvonca.3psfestlegen. dieregistrierungvonstrahlbegleitendenmyonenundvonteilchen,dieihren 1ConseilEuropeenpourlaRechercheNucleaire RingformigumdieStrahlachseangeordneteVetodetektorenermoglichen 17

24 . 18 Kapitel2:DasWA98-Experiment hochsegmentiertes Bleiglas-Kalorimeter (LEDA) (Identifikation von Photonen, π - und η-mesonen) Vorwärts- Kalorimeter Flugzeitwand (#2) (PID von positiven Hadronen) Had.-Kalorimeter (Transversale Energie) Streamer-Tubes hochsegmentierter Photon- Multiplizitäts-Detektor Pad-Kammern Veto-Detektor für geladene Teilchen odermitdermateriederstartdetektorenhaben.solassensichstartsignale Flugzeitwand (#1) (PID von negativen Hadronen) verwerfen,dienichtdurchbleiionenhervorgerufenwerden. Abbildung2.1:AufbaudesWA98-Experiments.Zeichnung:K.-H.Kampert. Multistep-Avalanche-Kammern CCD-Auslese (Spurrekonstruktion von geladenen Teilchen) 2.2Ereignisklassizierung Plastic-Ball (π +, p,... He in Silizium-Pad- und Targetregion) Silizium-Drift-Detektoren ProjektiledesBleistrahlstreenmitunterschiedlichenStoparameternauf (Pseudorapiditätsverteilungen von geladenen Teilchen) KernedesTargets.Manerwartet,danurinzentralenStoenVolumenund ' LebensdauerdeserzeugtenhochangeregtenMateriezustandsausreichen,ein deutlichessignaleinesquark-gluon-plasmasentstehenzulassen.periphere Proton-Proton-Kollisionen.InihnenwirdmithoherWahrscheinlichkeitkein StoesolltensichalsreinhadronischeReaktionenbeschreibenlassen,ahnlich QGPerzeugt.DieIdentikationdesPlasmaskonntedanndurcheinenVergleichdieserbeidenKlassenvonReaktionengelingen.ZumVergleichwerden desweiterenreaktionenherangezogen,diedurchbeschudestargetsmit Goliath-Magnet Target (im Plastik-Ball) Start- Zähler 33 TeV Pb 21.5 m

25 rungbleiinduzierterereignissenachderzentralitatdesstoes.dazuwerdenim 2.3.Teilchenspektrometrie einemprotonenstrahlausgelostwerden.auchhierrechnetmannichtmiteinem SignaldesPlasmazustands. DerVergleichdieserverschiedenenReaktionenerforderteineKlassizie- 19 teilgenommenhaben.jekleinersieist,destozentralerwardersto.diese wesentlichenderenergiederprojektilfragmente,dienichtanderreaktion EnergiewirdvomNull-Grad-KalorimeterZDC2gemessen([Vod93a]). WA98-ExperimentsowohldieEnergieinVorwartsrichtungalsauchdieseitlich emittierteenergiebestimmt.dieenergieinvorwartsrichtungentsprichtim DiesesSandwich-Kalorimeterbestehtaus35ModuleneinerDickevon8,5 umdiestrahlachseabdecken.dasentsprichteinerpseudorapiditat3>5;9. nuklearenabsorptionslangen,dieinsgesamtdenwinkelbereichkleiner,3 MIRAC4([Awe89],[You89]).VordemhadronischenSektoreinerTiefevon 6;1bendetsichhierzusatzlicheinelektromagnetischerSchauerzahler(15,6 modularenkalorimeterinsandwich-bauweisegemessen,demsogenannten Energie,diezurThermalisierungzurVerfugungsteht.Auchsiewirdvoneinem Strahlungslangen).DasMIRACdecktdenWinkelbereich;5<<3 DieseitlichemittierteEnergie(TransversalenergieET)isteinMafurdie wahlderjenigenereignisse,dievonderdatenerfassungaufgezeichnetwerden. Solassensichdieverhaltnismaigseltenen,aberinteressanten,zentralenStoe imdatensatzanreichern. (3;7<<5;3)ab.Ausderimi-tenModuldeponiertenEnergieEiunddem zugehorigenwinkeliergibtsichdietransversaleenergiezuet=ieisini. DasSignaldieserDetektorendientzusammenmitdemStartsignalzurAus- WA98-ExperimentgeladenePionen,KaonenundProtonendurchzweiMa- 2.3Teilchenspektrometrie ZurMessunghadronischerSignaledesQuark-Gluon-Plasmaswerdenim 4MIdRApidityCalorimeter 2ZeroDegreeCalorimeter 3ZurDenitionderPseudorapiditats.AnhangA

26 Interferometrie5aufdieGroedesReaktionsvolumensschlieen. 2 gnetspektrometerbestehendausdemdipolmagneten"goliath\,spurdetek- torenundflugzeitwandenidentiziert.zusatzlichlatsichdurchteilchen- DasMagnetfelddesGoliathlenktgeladeneTeilchenentsprechendihren Kapitel2:DasWA98-Experiment Impulsenab.DieSpurenderentgegengesetztbeeinutennegativenund positiventeilchenwerdeninzweiseparatendetektorarmenrekonstruiert.so latsichderradiusderteilchenbahnimmagnetfeldund,mitderstarkedes Magnetfelds,derImpulsderTeilchenberechnen. Lichtumgewandeltwird.DurcheineverspiegelteFoliewirddaserzeugteLicht TEA7-MolekuleUV-Lichterzeugt,dasdurchWellenlangenschieberinblaues einanderliegendenmsac6-detektorenbestimmt([cha88],[i_zy91]).diessind InderletztenVerstarkungsstufewirddurchzusatzlichzumZahlgasvorhandene Gasdetektoren,dieprimarerzeugteElektroneninmehrerenStufenverstarken. ImerstenArmwirdderOrteinesTeilchendurchgangsinsechshinter- damitsiedienachfolgendendetektorennichtdurchabsorptionvonteilchen FoliekonntendieKamerasauerhalbdesTeilchensstromsplaziertwerden, storen. aufccd-kamerasgelenktundvondiesenausgelesen.durchdeneinsatzder gemessen,sondernuberdieladung,dieaufauenandendetektoren inzweipad-kammernundzweistreamer-tube-detektorengemessen.die DieerzeugtenElektronenlawinenwerdenhiernichtubersekundarePhotonen Pad-KammernsindeineneuentwickelteVariantederMSAC-Detektoren. angebrachtenmetallstreifen(pads)inuenziertwird.diestreamer-tube- ImzweitenDetektorarmwerdendieDurchgangsortederpositivenTeilchen DetektorenzurSpurrekonstruktionarbeitennachdemgleichenFunktionsprinzipwiederimfolgendenAbschnittbeschriebeneStreamer-Tube-Detektor, derzurmultiplizitatsmessungundalsveto-detektoreingesetztwird. Photomultiplierausgelesenwerden.DurchdieLaufzeitdierenzderSignaleist sen.diesebestehenausszintillatorstreifen,dieanbeidenseitendurch 5ZurAnwendungs.beispielsweise[Blu93] 6MultiStepAvalancheChamber 7Tri-Ethyl-Amine BeideArmewerdendurchDetektorenzurFlugzeitmessungabgeschlos-

27 werden. 2.4.Multiplizitatsmessung derteilchenortfestgelegt.dieflugzeitergibtsichausderzeitlichendierenz zumsignalderstartdetektoren.ausderflugzeitkannzusammenmitdemaus derspurrekonstruktionberechnetenimpulsdiemassederteilchenbestimmt 21 ( 1;7<<1;3)dientderPlastic-Ball-Detektor([Bad82]).Erbestehtaus sichdarananschlieendenplastikszintillatorzurenergiemessungzusammen setztsichauseinemcaf2-szintillatorzurenergieverlustmessungundeinem 655spharischangeordnetenModulenundumschlietdasTargetunddieim nachstenabschnittbeschriebenendetektorensddundspmd.jedesmodul ZurSpektrometriegeladenerTeilchenimBereichderTargetrapiditat wurdebereitsamlawrence-berkeley-laboratoriumerfolgreicheingesetzt. 2.4Multiplizitatsmessung undgestattetsodieidentizierungvon,p,d,t,3heund4he.dieserdetektor erkennen.eswerdensowohldiemultiplizitatgeladenerteilchenalsauchdie stelltwerden,dieeinengroenwinkelbereichumdastargetabdecken. EventuellauftretendeMultiplizitatsuktuationenbeimPhasenubergangzum Photonenmultiplizitatgemessen.DiePhotonenstammenimwesentlichenaus einemeinzelnenereignisvorliegendestatistikaus,solchefluktuationenzu AufgrundderhohenMultiplizitatenbleiinduzierterReaktionenreichtdiein Quark-Gluon-PlasmakonnenimWA98-ExperimentmitDetektorenfestge- demzerfallvonneutralenpionen.damitkonntedasexperimentsensitivauf eindisorientierteschiraleskondensatsein,dassichdurcheineverschiebung desverhaltnissesn=nauernsollte MultiplizitatgeladenerTeilchen wenigezentimeterhinterdemtarget.beimdurchgangeinesgeladenen nemsiliziumpaddetektorunddembereitserwahntenstreamer-tube-detektor gemessen. DieMultiplizitatgeladenerTeilchenwirdvoneinemSiliziumdriftdetektor,ei- DerscheibenformigeSiliziumdriftdetektor(SDD)([Ste94])bendetsich

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