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Heidi Schuldes

• In this thesis, the production of charged kaons and Φ mesons in Au+Au collisions at sqrt sAuAu = 2.4 GeV is studied. At this energy, all particles carrying open and hidden strangeness are produced below their respective free nucleon-nucleon threshold with the corresponding so-called excess energies: sqrt sK+ exc = -0.15 GeV, sqrt sK- exc = -0.46 GeV, sqrt sΦ exc = -0.49 GeVGeV. As a consequence, the production cross sections are very sensitive to medium effects like momentum distributions, two- or multistep collisions, and modification of the in-medium spectral distribution of the produced states [1]. K+ and K- mesons exhibit different properties in baryon dominated matter, since only K- can be resonantly absorbed by nucleons. Although strangeness exchange reactions have been proposed to be the dominant channel for K- production in the analyzed energy regime, the production yield and kinematic distributions could also be explained in smaller systems based on statistical hadronization model fits to the measured particle yields, including a canonical strangeness suppression radius RC, and taking the Φ feed-down to kaons into account [2, 3]. For the first time in central Au+Au collisions at such low energies, it is possible to reconstruct and do a multi differential analysis of K- and Φ mesons. In principle, this should be the ideal environment for strangeness exchange reactions to occur, as the particles are produced deeply sub-threshold in a large and long-living system. Therefore, it is the ultimate test to differentiate between the different sources for K- production in HIC. In total 7.3x10exp9 of the 40% most central Au(1.23 GeV per nucleon)+Au collisions are analyzed. The data has been recorded with the High Acceptance DiElectron Spectrometer HADES located at Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GSI in April/May 2012. A substantially improved reconstruction method has been employed to reconstruct the hadrons with high purity in a wide phase space region. The estimated particle multiplicities follow a clear hierarchy of the excess energy: 41.5 ± 2.1|sys protons at mid-rapidity per unit in rapidity, 11.1 ± 0.6|sys ± 0.4|extrapol π-, (3.01 ± 0.03|stat ± 0.15|sys ± 0.30|extrapól) x10 exp -2 K+, (1.94 ± 0.09|stat ± 0.10|sys ± 0.10|extrapol)x10 exp -4 K- and (0.99 ± 0.24|stat ± 0.10|sys ± 0.05|extrapol)x10 exp -4 Φ per event. The multiplicities of the strange hadrons increase more than linear with the mean number of participating nucleons hAparti, supporting the assumption that the necessary energy to overcome the elementary production threshold is accumulated in multi-particle interactions. Transport models predict such an increase, but are overestimating the measured particle yield and are not able to describe the kinematic distributions of K+ mesons perfectly. However, the best description is given by the IQMD model with a density dependent kaonnucleon potential of 40 MeV at nuclear ground state density. The K-=K+ multiplicity ratio is constant as a function of centrality and follows with (6.45 ± 0.77)x10 exp -3 the trend of increasing with beam energy indicated from previous experiments [4]. The effective temperature of K- TK+eff = (84 ± 6) MeV is found to be systematically lower than the one of K+ TK+eff = (104 ± 1) MeV, which has also been observed by the other experiments. The Φ=K- ratio is with a value of 0.52 ± 0.16 higher than the one obtained at higher center-of-mass energies and smaller systems. This behavior is predicted from a tuned version of the UrQMD transport model [5], when including higher mass baryonic resonances which can decay into Φ mesons and from statistical hadronization models when suppressing open strangeness canonically. The found ratio is constant as a function of centrality and results with a branching ratio of 48.9%, that ~ 25% of all measured K- originate from Φ feed-down decays. A two component PLUTO simulation, consisting of a pure thermal and a K- contribution originating from Φ decays, can fully explain the observed lower effective temperature in comparison to K+ and the shape of the measured rapidity distribution of K-. As a result, we find no indication for strangeness exchange reactions being the dominant mechanism for K- production in the SIS18 energy regime, if taking the contribution from Φ feed-down decays into account. The hadron yields for the 20% most central collisions can be described by a statistical hadronization model fit with the chemical freeze-out temperature of Tchem = (68 ± 2) MeV and baryochemical potential of μB = (883 ± 25) MeV, which is higher than expected from previous parameterizations. The analysis of the transverse mass spectra of protons indicate a kinetic freeze-out temperature of Tkin = (70 ± 4) MeV and radial flow velocity of βr = 0.43 ± 0.01, which is in agreement with the parameters obtained from the linear dependence of the effective temperatures on the particle mass Tkin = (71.5 ± 4.2) MeV and βr = 0.28 ± 0.09.
• In dieser Arbeit wird die Produktion von geladenen Kaonen und Φ Mesonen in Au+Au Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von sqrt s = 2,4 GeV studiert. Bei dieser Energie werden alle Teilchen mit Seltsamkeitsinhalt unterhalb ihrer jeweiligen freien Nukleon-Nukleon Schwellenenergie produziert (Exzess-Energien: sqrt s K+ exc = -0.15 GeV, sqrt s K- exc = -0.46 GeV, sqrt s Φ exc = -0.49 GeV). Dies bedingt, dass die Wirkungsquerschnitte dieser Teilchen sehr sensitiv auf Mediumeffekte, wie Impulsverteilungen, zwei- oder mehrstufige Kollisionen und die Modifikation der in-Medium Spektralfunktionen der produzierten Zustände sind [1]. In baryondominierter Materie unterliegen K+ und K- unterschiedlichen Eigenschaften, da nur K- resonant von Nukleonen absorbiert werden kann. Obwohl die sogenannten Seltsamkeitsaustauschreaktionen als dominanter Kanal für die K- Produktion im analysierten Energiebereich vorgeschlagen wurden, konnte die Produktionsrate und kinematischen Verteilungen in kleineren Reaktionssystemen auch mithilfe statistischer Hadronisationsmodelle, in denen Seltsamkeit durch einen kanonischen Radius RC unterdrückt ist, und der Berücksichtigung von Φ-Zerfällen in Kaonen beschrieben werden [2, 3]. Zum ersten Mal ist es möglich K- und Φ Mesonen in zentralen Au+Au Kollisionen zu rekonstruieren und eine multidifferentiale Analyse durchzuführen. Im Prinzip sollten in diesem grossen und langlebigen System die idealen Bedingungen für das Auftreten von Seltsamkeitsaustauschreaktionen vorliegen, da die Teilchen weit unterhalb ihrer NN-Schwellenenergie produziert werden. Somit ist dies der ultimative Test um zwischen den unterschiedlichen Quellen für die K- Produktion in Schwerionenstößen zu unterscheiden. Insgesamt werden 7,3x10 exp 9 der 40% zentralsten Au(1,23 GeV pro Nukleon)+Au Kollisionen ausgewertet. Die Daten wurden mit dem High Acceptance DiElectron Spectrometer HADES an dem Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GSI im April und Mai 2012 aufgenommen. Es wurde eine erheblich verbesserte Rekonstruktionsmethode angewendet um die Hadronen mit hoher Reinheit in einer weiten Phasenraumregion zu identifizieren. Die erhaltenen Teilchenmultiplizitäten folgen einer eindeutigen Hierarchie ihrer Exzess-Energien: 41.5 ± 2.1|sys Protonen bei Schwerpunktsrapidität pro Einheit in Rapidität, 11,1 ± 0,6|sys ± 0,4|extrapol π-, (3,01 ± 0,03|stat ± 0,15|sys ± 0,30|extrapol)x10 exp -2 K+, (1,94 ± 0,09|stat ± 0,10|sys ± 0,10|extrapol)x10 axp -4 K- and (0,99 ± 0,24|stat ± 0,10|sys ± 0,05|extrapol)x10 exp 4 Φ pro Reaktion. Die Multiplizitäten der seltsamen Hadronen steigen stärker als linear mit der mittleren Anzahl der an der Reaktion teilnehmenden Nukleonen <Apart> an. Dies unterstützt die Annahme, dass die benötigte Energie um die elementare Produktionsschwelle zu überwinden in Multi-Teilchen-Interaktionen akkumuliert wird. Transport-Modelle sagen solch eine Proportionalität vorher, sie überschätzen jedoch die Teilchenproduktionsraten und sind nicht in der Lage die kinematischen Verteilungen zufriedenstellend zu beschreiben. Die beste Beschreibung der Kaonenspektren ist von dem IQMD Modell, mit einem dichteabhängigen Kaon-Nukleon-Potential von 40 MeV bei nuklearer Grundzustandsdichte, gegeben. Das K-/K+-Verhältnis is konstant als Funktion der Zentralität und folgt mit (6,45 ± 0,77)x10 exp -3 dem Trend vorhergegangener Experimente [4] linear mit der Schwerpunktsenergie anzusteigen. Die effektive Temperatur von K- T K- eff = (84±6) MeV ist, wie bereits von vorhergegangen Experimenten beobachtet, systematisch niedriger als die von K+ T K+ eff = (104 ± 1) MeV. Das Φ/K--Verhältnis ist mit einem Wert von 0,52 ± 0,16 höher als das bei höheren Schwerpunktsenergien und kleineren Systemen. Dieses Verhalten ist von einer modifizierten Version des UrQMD-Transportmodelles [5], in dem zusätzliche schwere Baryonenresonanzen, die in Φ Mesonen zerfallen können implementiert wurden und von statistischen Hadronisationsmodellen, in denen Seltsamkeit kanonisch unterdrückt wird, vorhergesagt. Das Verhältnis ist konstant als Funktion der Zentralität und bedingt mit einer Zerfallswahrscheinlichkeit von 48,9%, dass ~ 25% aller gemessenen K- aus Φ-Zerfällen resultieren. Eine Zweikomponenten PLUTO-Simulation, bestehend aus einem rein thermischen und einem K--Beitrag aus Φ Zerfällen, kann die beobachtete niedrigere effektive Temperatur im Vergleich zu K+ und die Form der gemessenen Rapiditätsverteilung von K- erklären. Somit finden wir keine Anzeichen für die Dominanz der Seltsamkeitsaustauschreaktionen für K--Produktion im SIS18-Energiebereich, wenn der Beitrag aus Φ-Zerfällen berücksichtigt wird. Die gemessenen Hadronenraten der 20% zentralsten Reaktionen können mithilfe eines statistischen Hadronisationsmodells mit der chemischen Ausfriertemperatur Tchem = (68 ± 2) MeV und dem baryochemischen Potential μB = (883 ± 25) MeV, welches etwas höher ist als von vorhergegangen Parameterisierungen erwartet, beschrieben werden. Die Analyse der transversalen Massenspektren von Protonen deutet eine kinetische Ausfriertemperatur von Tkin = (70 ± 4) MeV und eine radiale Flussgeschwindigkeit von βr = 0,43 ± 0,01 an. Diese Parameter stimmen mit den Werten Tkin = (71,5 ± 4,2) MeV und βr = 0,28 ± 0,09 überein, die aufgrund der linearen Abhängigkeit der effektiven Temperaturen von der Teilchenmasse extrahiert wurden.