Hyperon-Produktion und -Polarisation in der Reaktion p (3,5 GeV) + Nb mit HADES

Zur Erforschung des Verhaltens der Kernmaterie wurde mit dem Dielektronen-Spektrometer HADES am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt unter anderem die Reaktion p + Nb bei 3,5 GeV kinetischer Strahlenergie untersucht. Obwohl HADES primär für den Nachweis seltener leptonischer Zerfälle der Vektormesonen ρ, ω und φ konzipiert wurde, eignet sich das Spektrometer aufgrund seiner präzisen Spurrekonstruktion auch für die Untersuchung von hadronischen Kanälen. Zum Studium der Strangeness-Signaturen in der Reaktion p + Nb wird in dieser Arbeit der im Jahr 2008 aufgezeichnete Datensatz von ca. 4,2 Milliarden Kollisionen hinsichtlich der Produktion und der dabei auftretenden Polarisation von Λ-Hyperonen untersucht. Die polarisierte Produktion von Hyperonen in Kernreaktionen mit unpolarisierten Ausgangsteilchen wurde entgegen den theoretischen Erwartungen erstmals 1976 beobachtet und fand bis heute keine allgemein akzeptierte und alle beobachteten Abhängigkeiten umfassende Erklärung auf Grundlage der starken Wechselwirkung. Es werden zunächst die theoretischen Modelle der Hyperonpolarisation diskutiert und der experimentelle Zugang erklärt. Dieser gelingt über den schwachen Zerfall des Λ-Hyperons, der als natürliches Polarimeter wirkt und somit insbesondere in Reaktionen mit unpolarisierten Nukleonen ein ideales Instrument zur Untersuchung der Polarisation darstellt. Aufgrund der großen Raumwinkelabdeckung ermöglicht HADES, Λ-Hyperonen in einem weiten Phasenraumbereich zu rekonstruieren, sodass deren Produktionsrate und Polarisation in Abhängigkeit der Observablen Transversalimpuls pt und Rapidität y analysiert werden. Aus insgesamt 1,1 Millionen rekonstruierten Λ-Hyperonen werden nach der Korrektur bezüglich der Detektorakzeptanz und -effizienz transversale Massenspektren extrahiert. Deren inverser Steigungsparameter TB (y) nimmt ein Maximum von rund 90 MeV bei y = 1, d.h. unterhalb der Schwerpunktsrapidität im Nukleon-Nukleon-Stoß (ycm = 1,12), an und fällt zu kleinen Rapiditäten deutlich schneller ab als für Teilchen im thermischen Gleichgewicht. Die Λ-Rapiditätsdichte zeigt eine asymmetrische Verteilung, die aufgrund von Mehrfachstreuung der Λ-Hyperonen hauptsächlich mit Kern-Nukleonen deutlich zur Targetrapidität verschoben ist und mit steigender Rapidität > 0,3 stark abnimmt. Auf den vollständigen Phasenraum extrapoliert, erfüllt die Produktionsrate von 0,018 ± 0,004 Λ-0 Hyperons je Ereignis, verbunden mit der Multiplizität von Ks -Mesonen und den mittels Transportmodell abgeleiteten Produktionsverhältnissen zu den übrigen Kaonen und Hyperonen, die Strangeness-Erhaltung im Mittel der gemessenen Kollisionen. Darüber hinaus zeigt das Λ-Hyperon eine signifikant negative Polarisation relativ zur Normalen seiner Produktionsebene, die über den verfügbaren Phasenraum gemittelt Px = (−10,6 ± 1,3) % beträgt und deren Betrag mit steigendem Transversalimpuls entsprechend Px (pt ) = (−0,19 ± 0,02) (GeV/c)−1 pt linear zunimmt. Die Ergebnisse bezüglich der Λ-Polarisation und Phasenraumverteilung werden mit denen anderer Experimente ähnlicher Stoßsysteme verglichen und im Rahmen von systematischen Untersuchungen mit Transportmodellen interpretiert, um Details zur Dynamik der Hyperon-Produktion in Proton-Kern-Reaktionen abzuleiten. Derzeit verfügbare Versionen der GiBUU- und UrQMD-Modelle können die experimentellen Verteilungen im Phasenraum jedoch nicht hinreichend reproduzieren. Mit der Rekonstruktion von Ξ− -Hyperonen und φ-Mesonen wird ein Ausblick auf weiterführende Studien zur Strangeness-Produktion in Nukleon-Kern-Stößen gegeben.:1 Einleitung 11 1.1 Struktur der Materie 11 1.2 Schwellennahe Erzeugung von Hadronen mit Strangeness 13 1.3 Modellbeschreibungen der Strangeness-Produktion 15 1.4 Untersuchung von Kernmaterie in Nukleon-Kern-Reaktionen 19 1.5 Zielsetzung und Gliederung der Arbeit 20 2 Hyperonpolarisation 23 2.1 Experimentelle Beobachtungen 23 2.2 Modellbeschreibungen 25 2.2.1 SU(6)-Modell 25 2.2.2 s-Quark-Streumodell 27 2.2.3 Lund-Modell (Farb-Flussröhre) 28 2.2.4 Rekombinationsmodell (Thomas-Präzession) 28 2.2.5 Quantenmechanische Modelle 29 2.3 Der selbstanalysierende Λ-Zerfall als Spin-Polarimeter 30 3 Experimentiersystem HADES und Analysewerkzeuge 33 3.1 Komponenten zur Teilchenidentifikation 35 3.2 Magnetspektrometer 37 3.3 Datenerfassung und -verarbeitung 43 3.4 Analyse- und Simulationssoftware 45 3.5 Transportmodelle 46 4 Datenanalyse zur Reaktion p + Nb 51 4.1 Charakteristika des Experiments 51 4.2 Teilchenidentifikation 55 4.2.1 Flugzeitmethode 56 4.2.2 Energieverlustmethode 58 4.3 Rekonstruktion des Λ-Hyperons 60 4.3.1 Teilchenselektion bezüglich des Energieverlustes 61 4.3.2 Invariantes Massenspektrum 62 4.3.3 Zerfallsgeometrie 65 4.3.4 Vertexrekonstruktion 66 4.3.5 Determination des kombinatorischen Untergrundes 69 4.3.6 Differentielle Analyse bezüglich des Phasenraums 73 4.4 Rekonstruktion des Ξ -Hyperons 77 4.5 Effizienz- und Akzeptanzbestimmung mittels Detektorsimulation 82 4.5.1 Selbstkonsistenz der Simulation 86 4.5.2 Überprüfung der Vertexrekonstruktion 89 4.5.3 Rekonstruktion der Zerfallslänge 91 4.5.4 Normierung der Produktionsrate 93 4.5.5 Differentielle Produktionsrate der Λ-Hyperonen 95 4.6 Messung der Λ-Polarisation 97 4.6.1 Referenzkoordinatensystem 97 4.6.2 Akzeptanzkorrektur 99 4.6.3 Bestimmung der mittleren Polarisation 101 4.6.4 Differentielle Untersuchung der Polarisation 104 5 Diskussion der Ergebnisse 5.1 Λ-Phasenraumverteilung 109 5.1.1 Transversalimpulsverteilungen 110 5.1.2 Extrapolation der transversalen Impulsspektren 113 5.1.3 Systematische Unsicherheiten 114 5.1.4 Vergleich mit Vorhersagen von Transportmodellen 117 5.1.5 Λ-Produktionsmechanismen im BUU-Modell 121 5.1.6 Vergleich mit Ergebnissen anderer Experimente 124 5.2 Strangeness-Erhaltung 131 5.3 Λ-Polarisation 134 5.3.1 Phasenraumabhängigkeit der Polarisation 135 5.3.2 Einordnung der Ergebnisse in den vorhanden Weltdatensatz 139 6 Zusammenfassung und Ausblick 143 A Anhang A.1 Definition teilchenphysikalischer Variablen 149 A.2 Effizienzkorrektur für Λ-Hyperonen 153 A.3 Simulationen mit Transportmodellen 154 A.3.1 Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) 154 A.3.2 Giessen Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck (GiBUU) 157 A.3.2.1 Eingangsparameter 157 A.3.2.2 Systematische Untersuchung der Λ-Produktion 159 A.3.3 Implementierung elementarer Wirkungsquerschnitte 167 Abbildungsverzeichnis 169 Tabellenverzeichnis 172 Literaturverzeichnis 173With the dielectron spectrometer HADES, located at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, p + Nb reactions at a kinetic beam energy of 3.5 GeV were measured to study the behavior of nuclear matter. Although primarily designed for the detection of rare leptonic decays of the light vector mesons ρ, ω and φ, the spectrometer renders itself very well suited for the investigation of hadrons, due to its excellent tracking capability. This thesis presents results of the production and polarization of strange Λ hyperons in about 4.2 billion reactions of p + Nb recorded in 2008. In contrast to theoretical expectations, the polarized production of hyperons was observed in 1976 for the first time in nuclear reactions with unpolarized beams. Based on the fundamental properties of strong interaction, to date no single explanation exists describing all dependencies of the observed hyperon polarization. Therefore, common theoretical models of hyperon polarization are introduced. Acting as a natural polarimeter, the Λ hyperon represents an excellent tool to study the phenomenon of hyperon polarization especially in reactions with unpolarized beams and targets. Hence, the experimental technique for extracting the polarization using the weak decay of the Λ hyperon is explained. Due to a large solid angle coverage, HADES allows for the reconstruction of hadrons within a wide phase space range. Consequently, a double-differential analysis of the polarization and production probability as a function of transverse momentum pt and rapidity y is performed. In total, 1.1 million Λ hyperons are reconstructed and corrected for detector acceptance and efficiency. The inverse slope parameter TB is extracted from transverse mass spectra. Its rapidity dependence TB (y) shows a maximum of 90 MeV at y = 1, i.e. below the center-of-mass rapidity of the nucleon-nucleon collision ycm = 1.12, and a stronger decrease to lower rapidities than particles in thermal equilibrium. The Λ rapidity density shows an asymmetric distribution, shifted towards target rapidity, which is probably caused by multiple scattering on target nucleons. Extrapolated to the full phase space, the total multiplicity of 0.018 ± 0.004 Λ hyperons per event satisfies strangeness conservati- 0 on on average. For that purpose, the Ks production rate from another analysis and ratios to the other, unmeasured, strange hadrons, derived from transport simulations, are taken into account. Furthermore, the Λ hyperon shows a significant negative polarization perpendicular to its production plane, which amounts to Px = (−10.6 ± 1.3) % averaged over the phase space accessible to HADES. The measured Λ polarization increases almost linearly with increasing transverse momentum pt , according to Px (pt ) = (−0.19 ± 0.02) (GeV/c)−1 pt . In order to spot details on the dynamics of hyperon production in proton-nucleus reactions, the results on Λ polarization and phase space distribution are compared to those of similar reactions. Additionally, a systematic investigation with transport model simulations is performed. The experimental distributions can not be reproduced sufficiently well by the presently available GiBUU and URQMD models. Moreover, an outlook on further studies of strangeness production in nucleon-nucleus collisions by reconstruction of Ξ− hyperons and φ mesons is given.:1 Einleitung 11 1.1 Struktur der Materie 11 1.2 Schwellennahe Erzeugung von Hadronen mit Strangeness 13 1.3 Modellbeschreibungen der Strangeness-Produktion 15 1.4 Untersuchung von Kernmaterie in Nukleon-Kern-Reaktionen 19 1.5 Zielsetzung und Gliederung der Arbeit 20 2 Hyperonpolarisation 23 2.1 Experimentelle Beobachtungen 23 2.2 Modellbeschreibungen 25 2.2.1 SU(6)-Modell 25 2.2.2 s-Quark-Streumodell 27 2.2.3 Lund-Modell (Farb-Flussröhre) 28 2.2.4 Rekombinationsmodell (Thomas-Präzession) 28 2.2.5 Quantenmechanische Modelle 29 2.3 Der selbstanalysierende Λ-Zerfall als Spin-Polarimeter 30 3 Experimentiersystem HADES und Analysewerkzeuge 33 3.1 Komponenten zur Teilchenidentifikation 35 3.2 Magnetspektrometer 37 3.3 Datenerfassung und -verarbeitung 43 3.4 Analyse- und Simulationssoftware 45 3.5 Transportmodelle 46 4 Datenanalyse zur Reaktion p + Nb 51 4.1 Charakteristika des Experiments 51 4.2 Teilchenidentifikation 55 4.2.1 Flugzeitmethode 56 4.2.2 Energieverlustmethode 58 4.3 Rekonstruktion des Λ-Hyperons 60 4.3.1 Teilchenselektion bezüglich des Energieverlustes 61 4.3.2 Invariantes Massenspektrum 62 4.3.3 Zerfallsgeometrie 65 4.3.4 Vertexrekonstruktion 66 4.3.5 Determination des kombinatorischen Untergrundes 69 4.3.6 Differentielle Analyse bezüglich des Phasenraums 73 4.4 Rekonstruktion des Ξ -Hyperons 77 4.5 Effizienz- und Akzeptanzbestimmung mittels Detektorsimulation 82 4.5.1 Selbstkonsistenz der Simulation 86 4.5.2 Überprüfung der Vertexrekonstruktion 89 4.5.3 Rekonstruktion der Zerfallslänge 91 4.5.4 Normierung der Produktionsrate 93 4.5.5 Differentielle Produktionsrate der Λ-Hyperonen 95 4.6 Messung der Λ-Polarisation 97 4.6.1 Referenzkoordinatensystem 97 4.6.2 Akzeptanzkorrektur 99 4.6.3 Bestimmung der mittleren Polarisation 101 4.6.4 Differentielle Untersuchung der Polarisation 104 5 Diskussion der Ergebnisse 5.1 Λ-Phasenraumverteilung 109 5.1.1 Transversalimpulsverteilungen 110 5.1.2 Extrapolation der transversalen Impulsspektren 113 5.1.3 Systematische Unsicherheiten 114 5.1.4 Vergleich mit Vorhersagen von Transportmodellen 117 5.1.5 Λ-Produktionsmechanismen im BUU-Modell 121 5.1.6 Vergleich mit Ergebnissen anderer Experimente 124 5.2 Strangeness-Erhaltung 131 5.3 Λ-Polarisation 134 5.3.1 Phasenraumabhängigkeit der Polarisation 135 5.3.2 Einordnung der Ergebnisse in den vorhanden Weltdatensatz 139 6 Zusammenfassung und Ausblick 143 A Anhang A.1 Definition teilchenphysikalischer Variablen 149 A.2 Effizienzkorrektur für Λ-Hyperonen 153 A.3 Simulationen mit Transportmodellen 154 A.3.1 Ultrarelativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) 154 A.3.2 Giessen Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck (GiBUU) 157 A.3.2.1 Eingangsparameter 157 A.3.2.2 Systematische Untersuchung der Λ-Produktion 159 A.3.3 Implementierung elementarer Wirkungsquerschnitte 167 Abbildungsverzeichnis 169 Tabellenverzeichnis 172 Literaturverzeichnis 17