Beam energy dependence of dielectron production in Au+Au collisions from STAR at RHIC

At sufficiently high temperatures and baryon densities, nuclear matter is expected to undergo a transition into the Quark-Gluon-Plasma (QGP) consisting of deconfined quarks and gluons and accompanied by chiral symmetry restoration. Signals of these two fundamental characteristics of Quantum-Chromo-Dynamics (QCD) can be studied in ultra-relativistic heavy-ion collisions producing a relatively large volume of high energy and nucleon densities as existent in the early universe. Dileptons are unique bulk-penetrating sources for this purpose since they penetrate through the surrounding medium with negligible interaction and are created throughout the entire evolution of the initially created fireball. A multitude of experiments at SIS18, SPS and RHIC have taken on the challenging task to measure these rare probes in a heavy-ion environment. NA60's results from high-quality dimuon measurements have identified the broadened ρ spectral function as favorable scenario to explain the low-mass dilepton excess, and partonic sources as dominant at intermediate dilepton masses. Enabled by the addition of a TOF detector system in 2010, the first phase of the Beam Energy Scan (BES-I) at RHIC allows STAR to conduct an unprecedented energy-dependent study of dielectron production within a homogeneous experimental environment, and hence close the wide gap in the QCD phase diagram between SPS and top RHIC energies. This thesis concentrates on the understanding of the LMR enhancement regarding its invariant mass, transverse momentum and energy dependence. It studies dielectron production in Au+Au collisions at beam energies of 19.6, 27, 39, and 62.4 GeV with sufficient statistics. In conjunction with the published STAR results at top RHIC energy, this thesis presents results on the first comprehensive energy-dependent study of dielectron production. This includes invariant mass- and transverse momenta-spectra for the four beam energies measured in 0-80% minimum-bias Au+Au collisions with high statistics up to 3.5 GeV/c² and 2.2 GeV/c, respectively. Their comparison with cocktail simulations of hadronic sources reveals a sizeable and steadily increasing excess yield in the LMR at all beam energies. The scenario of broadened in-medium ρ spectral functions proves to not only serve well as dominating underlying source but also to be universal in nature since it quantitatively and qualitatively explains the LMR enhancements measured over the wide range from SPS to top RHIC energies. It shows that most of the enhancement is governed by interactions of the ρ meson with thermal resonance excitations in the late(r)-stage hot and dense hadronic phase. This conclusion is supported by the energy-dependent measurement of integrated LMR excess yields and enhancement factors. The former do not exhibit a strong dependence on beam energy as expected from the approximately constant total baryon density above 20 GeV, and the latter show agreement with the CERES measurement at SPS energy. The consistency in excess yields and agreement with model calculations over the wide RHIC energy regime makes a strong case for LMR enhancements on the order of a factor 2-3. The extent of the results presented here enables a more solid discussion of its relation to chiral symmetry restoration from a theoretical point of view. High-statistics measurements at BES-II hold the promise to confirm these conclusions along with the LMR enhancment's relation to total baryon density with decreasing beam energy.Bei ausreichend hohen Temperaturen und Baryonendichten durchläuft Kernmaterie den Phasenübergang ins Quark-Gluon-Plasma (QGP), in dem freie Quarks und Gluonen die Freiheitsgrade bestimmen (Deconfinement) und chirale Symmetrie wiederhergestellt ist. Diese fundamentalen Eigenschaften der QCD Materie können in ultra-relativistischen Schwerionen-Kollisionen untersucht werden. In den Kernstößen wird ein verhältnismäßig großes Volumen mit hohen Energie- und Nukleonendichten produziert, die vergleichbar zu den Bedingungen im frühen Universum sind. Während der darauffolgenden Ausdehnung und Abkühlung durchschreitet die heiße und dichte Materie mehrere QCD Phasen, bevor sie in die beobachtbaren Teilchen des QCD Vakuums hadronisiert und ausfriert. Es ist wichtig, (eindeutige) Signale für die beiden fundamentalen QCD Charakteristiken des Deconfinements und der Chiralen Symmetrie Restauration zu beobachten und umfassend zu messen: Wenn Quark-Antiquark Paare in einem thermisch ausgeglichenen "deconfined" QCD Medium annihilieren, sollte man thermische elektromagnetische Strahlung direkt vom QGP beobachten können; Änderungen der Spektralfunktion von Vektormesonen im Medium könnten Vorläufereffekte eines Verschwindens der QCD Vakuumstruktur sein. In diesem Bezug sind Dileptonen ein einzigartiges Werkzeug. Sie durchdringen das umgebende Medium mit vernachlässigbarer Wechselwirkung und entstammen der gesamten Evolution des Systems. Ermöglicht durch die Hinzufügung des Time-Of-Flight (TOF) Detektors im Jahre 2010 liefert der STAR Detektor am BNL ausgezeichnete Teilchenidentifikation, niedriges Materialbudget, volle azimutale Akzeptanz bei mittlerer Rapidität, und breite Transversalimpuls-Abdeckung. Insbesondere mit der ersten Phase des Beam Energy Scans (BES-I) bietet STAR die noch nie da gewesene Gelegenheit, eine energie-abhängige Untersuchung der Dielektronenproduktion innerhalb eines homogenen experimentellen Umfelds durchzuführen und damit die große Lücke im QCD Phasendiagram zwischen SPS und höchsten RHIC Energien zu schliessen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Analyse von Au+Au Kollisionen bei Strahlenergien von 19.6, 27, 39, und 62.4 GeV, die während BES-I mit ausreichender Statistik für eine solche Untersuchung aufgenommen wurden. In Verbindung mit den veröffentlichten STAR Ergebnissen bei höchsten RHIC Energien stellt dies den ersten umfassenden und energie-abhängigen Datensatz bereit. Für die genannten vier Strahlenergien, legt diese Dissertation Massen- and Transversalimpuls-Spektren vor, gemessen in 0-80% "minimum-bias" Au+Au Kollisionen mit hoher Statistik bis zu jeweils 3.5 GeV/c² und 2.2 GeV/c. Deren Vergleich zu Cocktail Simulationen aus hadronischen Quellen deckt einen beträchtlichen und stetig zunehmenden LMR Überschuss bei allen Energien auf. Dieser kann weder durch Vakuum ρ/ω -Spektralfunktionen, die durch die Feuerball-Expansion propagiert wurden, noch durch die entsprechenden bloßen Ausfrierungsbeiträge beschrieben werden. Modellrechnungen mit einer in-Medium verbreiterten ρ-Spektralfunktion auf Grundlage von HMBT erreichen stattdessen gute Übereinstimmung sowohl über den gesamten Energiebereich als auch in der Form der Massen- und Transversalimpuls-Verteilungen. Dieser Beitrag dominiert im LMR über die Quark-Antiquark Beiträge vom QGP und dient daher im Allgemeinen gut als zugrundeliegende Ursache des gemessenen Überschusses im gesamten RHIC Energiebereich. Die Beobachtung bedeutet auch, dass der Großteil der Signalverstärkung durch Wechselwirkungen des ρ-Mesons mit thermischen Resonanzanregungen in der spät(er)en heißen und dichten hadronischen Phase geregelt wird. Die Energie-Abhängigkeit sowohl der Massen-integrierten und auf invariante Pionen-Produktion normierten LMR Überschüsse als auch der LMR Signalverstärkung unterstützen diese Schlussfolgerung. Im Einklang mit der etwa konstanten totalen Baryonendichte überhalb von 20 GeV weisen die absoluten Überschüsse keine starke Abhängigkeit von der Strahlenergie auf. Die Verstärkungsfaktoren des LMR Signals stimmen mit CERES Messungen bei SPS Energien trotz unterschiedlicher Akzeptanzen überein - die STAR Daten sind jedoch von höherer Qualität. Die von STAR gemessene Beständigkeit des LMR Überschusses und dessen Übereinstimmung mit Modellrechnungen über den breiten RHIC Energiebereich liefern überzeugende Argumente für Verstärkungsfaktoren eher im Bereich 2-3 als 5 oder mehr. Zusammenfassend stellen die STAR Messungen während BES-I hoch-qualitative Datensätze zur Verfügung, die wesentlich für das Verständnis der LMR Signalverstärkung bezüglich ihrer Massen-, Transversalimpuls- und Energie-Abhängigkeit sind. Das Szenario der in-Medium verbreiterten ρ-Spektralfunktionen erklärt quantitativ und qualitativ die gemessene LMR Signalverstärkung über den breiten Bereich von SPS bis zu höchsten RHIC Energien. Diese Erklärung dient daher als dominante und universelle Ursache der Signalverstärkung