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Irmgard Langbein

• Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Untersuchung von Photonenemissionsmustern im einzelnen Ereignis, wie sie bei einer Schwerionenkollision von Schwefel auf Gold bei einer Energie von 200 GeV pro Nukleon produziert werden. Diese Ereignisse wurden mit dem Photonen-Multiplizitäts-Detektor im WA93-Experiment am CERN aufgenommen. Die globalen Observablen einer ultrarelativistischen Schwerionenkollision, wie z.B. Multiplizitäts- und Energieverteilungen der Teilchen, lassen sich durch Rechnungen mit dem String-Modell VENUS3.11 gut beschreiben. In diesem Modell werden alle bekannten, in einer Kern-Kern-Kollision ablaufenden physikalischen Prozesse eingebaut. Ein Vergleich von Verteilungen globaler Meßgrößen aus dem Experiment mit solchen aus Modellrechnungen zeigt, welche Resultate durch schon bekannte, in dem Modell berücksichtigte, physikalische Vorgänge verursacht sind und welche auf noch unbekannten Vorgängen oder auf Detektoreffekten beruhen. Um aus solchen Vergleichen den Einfluß noch unbekannter physikalischer Prozesse auf Verteilungen zu erkennen, muß die Veränderung der physikalischen Observablen bei der Messung durch den Detektor selbst berücksichtigt werden. Die Wechselwirkung der aus der Reaktionszone emittierten Teilchen mit der im Experiment befindlichen Materie der Detektoren wird mit dem Detektorsimulationsprogramm GEANT dargestellt. Der Einfluß der Detektoren kann für globale Observablen sehr zufriedenstellend beschrieben werden, was sich in der guten Übereinstimmung der Multiplizitäts- und Rapiditätsverteilung der im WA93-Experiment nachgewiesenen Photonen mit den Verteilungen aus Modellrechnungen zeigt. Auch die Dynamik der Kollision, sichtbar in der Verteilung der transversalen Energie, wird durch das Modell wiedergegeben. Auf dem Niveau von Einzelereignissen und der Verteilung von Photonen innerhalb eines Ereignisses ist es äusserst wichtig, den Einfluß der Detektoreffekte auf die Verteilungen zu bestimmen. Bei der Untersuchung von Fluktuationen und Korrelationen auf der Basis von Einzelereignissen wurde deshalb ein Vergleich zu Mixed Events angestellt, bei denen die Detektoreffekte beibehalten, aber alle vorhandenen Korrelationen aufgelöst werden. In dieser Arbeit wurden die Photonenemissionsmuster der Einzelereignisse (eventby- event-Analyse) mit der Minimal-Spanning-Tree (MST)-Methode auf Dichtefluktuationen hin untersucht. Die emittierten Photonen geben einen Hinweis auf die Emissionsstruktur von Mesonen, insbesondere der leichten pi0-Mesonen, weil Photonen überwiegend durch den Zerfall produzierte Teilchen sind und die räumliche Verteilung ihrer Ursprungsteilchen weitgehend widerspiegeln. Die Untersuchung von Teilchendichtefluktuationen, insbesondere der durch die Kollision produzierten Mesonen, kann zum besseren Verständnis des Verhaltens der Kernmaterie bei hohen Dichten und hohen Temperaturen beitragen. Waren Dichte und Temperatur in der Reaktionszone ausreichend hoch, könnte sich ein Quark-Gluon-Plasma gebildet haben. Die bei der anschließenden Expansion und Abkühlung stattfindende Kondensation zu Hadronen könnte ein Phasenübergang erster Ordnung sein. Die Größe der Fragmente, in diesem Fall die Hadronen und alle Gruppierungen daraus, sollte eine Verteilung ergeben, die mit einer Funktion Sa angenähert werden kann, wie es von verschiedenen Autoren im Zusammenhang mit Phasenübergängen erster Ordnung beobachtet wurde. Dabei ist S die Fragmentgröße und a eine negative Konstante. Die MST-Methode ist geeignet, das Emissionsmuster einzelner Photonenereignisse aus Schwerionenreaktionen in Cluster zu unterteilen. Die mit der MST-Methode definierten Cluster ergeben sich direkt aus der unterschiedlichen Dichteverteilung der Photonen auf der Detektorfläche in einem Einzelereignis. Die Cluster werden mit den obengenannten Fragmenten in Zusammenhang gebracht, wobei die Zahl der Photonen in einem Cluster die Fragmentgröße S darstellt. Ein wesentlicher Vorteil der MST-Methode besteht darin, daß sie zunächst keinerlei Einschränkung in der Art der zu suchenden Strukturen erfordert. Es müssen keine räumlichen Strukturen vorgegeben werden, nach denen dann in der Punkteverteilung gesucht wird, wie das in anderen Analysemethoden der Fall ist. Aus der durchgeführten Analyse hat sich ergeben, daß die MST-Methode sehr sensitiv auf Fluktuationen in der räumliche Dichteverteilung der Treffer im Einzelereignis ist. Die zweidimensionalen Räume, in denen die Dichteverteilung untersucht wird, können beliebig festgelegt werden und sind durch die Metrik, in der die Abstände des Minimal-Spanning-Trees berechnet werden, definiert. In dieser Arbeit wurden der x-y- Raum (Metrik 1) und der h-j-Raum (Metrik 2) benutzt. Dabei gibt Metrik 1 im wesentlichen Effekte in der Detektorgeometrie wieder und Metrik 2 ist eher dem Phasenraum und damit der Physik angepaßt. Zum Vergleich mit den Ergebnissen aus WA93-Datenereignissen wurden Cluster auf die gleiche Weise in Mixed Events, in Ereignissen aus Modellrechnungen und in Ereignissen mit Zufallsverteilungen von Punkten bestimmt. Die räumliche Verteilung der in den WA93-Datenereignissen gefundenen Cluster auf der Ebene des Detektors weist auf starke Inhomogenitäten in der Photonenverteilung hin. Der Vergleich mit entsprechenden Verteilungen der Cluster in Mixed Events und berechneten Ereignissen zeigt, daß ein Großteil dieser Inhomogenitäten durch Detektoreffekte verursacht wird. Zu diesen Detektoreffekten zählt auch die hohe Ansprechwahrscheinlichkeit für geladene Hadronen, so daß durch den Einsatz des Dipolmagneten eine inhomogene Verteilung der Treffer auf dem PMD verursacht wird. Diese durch Detektoreffekte verursachten Inhomogenitäten in den Photonenemissionsmustern können mögliche, durch physikalische Ursachen während der Kollision hervorgerufene, Dichtefluktuationen überlagern. Die Größenverteilung der Cluster in den WA93-Daten konnte mit einer Funktion Sa angenähert werden. Die Konstante a ergab sich dabei zu -3.0 für die in Metrik 1 gefundenen Cluster und -2.7 für die in Metrik 2 gefundenen Cluster. Die Größenverteilung der in den WA93-Datenereignissen mit Metrik 1 bestimmten Cluster zeigt keine großen Abweichungen zu den aus Mixed Events und aus simulierten Ereignissen gewonnenen Größenverteilungen. Die Größenverteilung, die mit Metrik 1 aus einer reinen Zufallsverteilung von Punkten erhalten wurde, liegt unterhalb der anderen drei Verteilungen. In den Verteilungen der Größe der in Metrik 2 definierten Cluster bestehen jedoch deutliche Unterschiede von WA93-Datenereignissen zu den Verteilungen aus anderen Ereignissen mit vergleichbaren Pseudorapiditätsverteilungen. Es wird eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit für große Cluster mit mehr als 20 Photonen in realen Datenereignissen beobachtet. Zunächst wurde angenommen, daß diese Erhöhung der Wahrscheinlichkeit für große Cluster die Folge der starken Inhomogenitäten in der zugrundeliegenden Trefferverteilung sein könnte. Wie die detaillierte Untersuchung der räumlichen Verteilung der Cluster jedoch gezeigt hat, ist diese inhomogene Verteilung der Photonen auch in den Mixed Events zu finden; die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit für große Cluster tritt allerdings nicht auf. Daß diese Beobachtung in den Mixed Events nicht gemacht wird, könnte ein Hinweis darauf sein, daß die Erhöhung in der Größenverteilung der Cluster durch physikalische Ursachen hervorgerufen wird. Ein weiterer Hinweis darauf, daß die Ineffizienzen des Detektors allein nicht zu großen Clustern führen, zeigt der Vergleich von Mixed Events zu den Datenereignissen mit zufälligem Azimut. Trotz der Unterschiede in der räumlichen Verteilung der Cluster ergibt sich eine annähernd gleiche Wahrscheinlichkeitsverteilung. Die in dieser Arbeit mit der MST-Methode durchgeführten Analyse hat gezeigt, daß „saubere“, d.h. untergrund- und detektoreffektfreiere Photonendaten notwendig sind, bevor Rückschlüsse auf zugrundeliegende physikalische Ursachen gemacht werden können. Dazu ist eine wesentliche Verbesserung der Datenauslese erforderlich, um die großen Unterschiede zwischen den einzelnen Auslesemodulen zu vermeiden. Eine Weiterentwicklung in der Datenaufbereitungsmethode könnte zu einer besseren Separation von Hadronen und Photonen und damit zu einer untergrundfreieren Photonenmessung führen. Erforderlich ist auch eine sehr genaue Simulation der Detektoreffekte durch Angabe aller Details des Experiments im GEANT-Programm. Nach den Schwerionenexperimenten mit Sauerstoff- und Schwefelstrahlen wurde das Schwerionenprogramm am CERN 1994 durch den Bleistrahl 208Pb mit der Energie von 158 GeV pro Nukleon weitergeführt. Mit der Vergrößerung des Reaktionssystems erwartete man nicht unbedingt eine Erhöhung der Energiedichte, aber einen größeren Thermalisierungsgrad des Systems. Ziel blieb immer noch der Nachweis des Quark- Gluon-Plasmas und die Erforschung von Materie unter extremsten Bedingungen. Um eine möglichst universelle Aussage über den Ablauf einer ultrarelativistischen Schwerionenreaktion machen zu können, wurde ein Experiment, das WA98-Experiment, mit einer großen Akzeptanz für die Messung von Photonen und Hadronen entworfen. Die Kombination von Signalen verschiedener Detektoren sollte es ermöglichen unterschiedliche Charakteristika der Stoßprozesse parallel zu untersuchen. Basierend auf den Erfahrungen mit dem Photonen-Multiplizitäts-Detektor im WA93-Experiment, auch die im Zusammenhang mit dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse, wurde ein größerer und verbesserter Detektor für den Einsatz im WA98- Experiment gebaut. Der Detektor wurde erstmals 1994 zur Messung von Photonenverteilungen in Pb-Pb Kollisionen bei Energien von 158 GeV pro Nukleon am CERN SPS eingesetzt.