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Production of {_L63 [lambda] hyperons at forward rapidity in d+Au collisions at √S_1tnN_1tnN=200 GeV [Elektronische Ressource] / Frank Simon

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Production of Λ Hyperons at Forward Rapidity√in d+Au Collisions at s = 200 GeVNNFrank SimonMax-Planck-Institut fu¨r Physik, Munich, GermanyJanuary 2005Technische Universit¨at Mu¨nchen¨MAX-PLANCK-INSTITUT FUR PHYSIKWERNER-HEISENBERG-INSTITUTProduction of Λ Hyperons at Forward Rapidity√in d+Au Collisions at s = 200 GeVNNFrank SimonVollst¨andiger Abdruck der von der Fakult¨at fu¨r Physikder Technischen Universit¨at Mu¨nchen zur Erlangungdes akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaftengenehmigten Dissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Manfred LindnerPru¨fer der Dissertation:1. Hon.-Prof. Dr. Norbert Schmitz2. Univ.-Prof. Dr. Stephan Paul (schriftliche Beurteilung)Univ.-Prof. Dr. Reiner Kru¨cken (mu¨ndliche Pru¨fung)Die Dissertation wurde am 11.01.2005 bei derTechnischen Universit¨at Mu¨nchen eingereicht und durch dieFakult¨at fu¨r Physik am 17.02.2005 angenommen.AbstractThe radial–drift forward TPCs of the STAR experiment at the Relativistic Heavy¯IonColliderareusedtoreconstructΛandΛhyperonsproducedatforwardandback-√wardrapidity ind+Aucollisions at s =200GeV.Fortheefficiency correctionsNNasimulationframework thatmergessimulated particletracks withrealdatawasde-¯veloped. Theresulting ΛandΛparticleyields areusedtostudybaryontransportinthe asymmetric collision system.

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Published 01 January 2005
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Language English
Document size 1 MB

Production of Λ Hyperons at Forward Rapidity√
in d+Au Collisions at s = 200 GeVNN
Frank Simon
Max-Planck-Institut fu¨r Physik, Munich, Germany
January 2005Technische Universit¨at Mu¨nchen
¨MAX-PLANCK-INSTITUT FUR PHYSIK
WERNER-HEISENBERG-INSTITUT
Production of Λ Hyperons at Forward Rapidity√
in d+Au Collisions at s = 200 GeVNN
Frank Simon
Vollst¨andiger Abdruck der von der Fakult¨at fu¨r Physik
der Technischen Universit¨at Mu¨nchen zur Erlangung
des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. Manfred Lindner
Pru¨fer der Dissertation:
1. Hon.-Prof. Dr. Norbert Schmitz
2. Univ.-Prof. Dr. Stephan Paul (schriftliche Beurteilung)
Univ.-Prof. Dr. Reiner Kru¨cken (mu¨ndliche Pru¨fung)
Die Dissertation wurde am 11.01.2005 bei der
Technischen Universit¨at Mu¨nchen eingereicht und durch die
Fakult¨at fu¨r Physik am 17.02.2005 angenommen.Abstract
The radial–drift forward TPCs of the STAR experiment at the Relativistic Heavy
¯IonColliderareusedtoreconstructΛandΛhyperonsproducedatforwardandback-√
wardrapidity ind+Aucollisions at s =200GeV.Fortheefficiency correctionsNN
asimulationframework thatmergessimulated particletracks withrealdatawasde-
¯veloped. Theresulting ΛandΛparticleyields areusedtostudybaryontransportin
the asymmetric collision system. The comparison to a variety of model calculations
demonstrates that stopping on the deuteron side is well described by a superposi-
tion of individual nucleon–nucleon reactions while on the gold side, the inclusion of
initial or final state nuclear effects is necessary. The rapidity loss of baryons on the
deuteron side shows that the nuclear stopping power in d+Au collisions is larger
than in Au+Au reactions.
Zusammenfassung
Mit Hilfe der Vorw¨arts-Spurendriftkammern des STAR Experimentes am Relativis-
¯tic Heavy Ion Collider werden Λ und Λ Hyperonen bei hohen Rapidit¨aten in d+Au√
Kollisionen bei s = 200 GeV rekonstruiert. Zur Durchfu¨hrung der Effizien-NN
zkorrekturen wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, das simulierte Teilchen-
¯spuren in echte Ereignisse einbettet. Die damit gewonnenen Λ und Λ Teilchen-
dichten werden zur Untersuchung des Baryonentransports in dem asymmetrischen
Kollisionssystem genutzt. Der Vergleich mit verschiedenen Modellrechnungen zeigt,
¨dass der Baryonentransport auf der Deuteron-Seite gut durch eine Uberlagerung
einzelner Nukleon–Nukleon Reaktionen beschrieben wird, w¨ahrend auf der Gold-
Seite die Beru¨cksichtigung von Kerneffekten notwendig ist. Der Rapidit¨atsverlust
von Baryonen auf der Deuteron-Seite zeigt, dass das Bremsverm¨ogen der Kernma-
terie in d+Au Kollisionen gr¨osser ist als in Au+Au Reaktionen.CONTENTS vii
Contents
1 Introduction 1
2 Nuclear Matter under Extreme Conditions 3
2.1 Early Universe and Neutron Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 The Strong Interaction: Confinement and Asymptotic Freedom. . . . 4
2.3 The Phase Diagram of Hadronic Matter . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.4 Relativistic Heavy Ion Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4.1 Evolution of the Collision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4.2 Stopping and Baryon Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.4.3 Experimental Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Experimental Setup 9
3.1 The Accelerator Complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.1.1 Heavy Ion Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.2 RHIC performance in 2003 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2 The STAR Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.1 Tracking Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.2 Calorimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2.3 Trigger Detectors and Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 The STAR Forward TPCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3.1 The Principle of Time Projection Chambers . . . . . . . . . . 15
3.3.2 Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3.3 Field Cage and Sensitive Volume . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3.4 Detector Readout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.3.5 Calibration and Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 d+Au Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.4.1 Properties of the Beam Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4.2 Charged Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4.3 d+Au Collisions at STAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.4.4 Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.5 Model Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4 Detector Simulations 31viii CONTENTS
4.1 Pure Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.1.1 HIJING Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.2 Embedding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.1 Gain Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2.2 The Embedding Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2.3 Comparison to Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 Tracking Efficiency and Momentum Resolution . . . . . . . . . . . . . 37
4.3.1 Matching of Reconstruction and Simulation . . . . . . . . . . 37
4.3.2 Tracking Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.3 Momentum Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 Limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 Data Analysis and Corrections 43
5.1 Properties of Λ Particles and their Decay Signatures . . . . . . . . . . 43
5.2 Analysis Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.2.1 Analysis Cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2.2 Background Subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Expected Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.4 Acceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.5 Invariant Mass Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.6 Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.6.1 Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.6.2 Feeddown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.7 Mean Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
05.8 K Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59S
5.8.1 Kaon Properties and Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.8.2 Analysis and Cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.8.3 Acceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.8.4 Invariant Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.8.5 Mean Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
05.8.6 K yield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63S
6 Results on Λ Hyperons 67
6.1 Particle Yields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.1.1 Yield and Temperature Determination . . . . . . . . . . . . . 68
6.1.2 Minimum Bias Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.1.3 Systematic Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.1.4 Minimum bias yields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 Temperature Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
¯6.3 Λ/Λ Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.4 Centrality Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.5 ZDC Neutron Tagged Events. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77CONTENTS ix
7 Discussion 79
7.1 The Influence of the Medium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7.2 Strangeness Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
7.2.1 Centrality Dependence of the Particle Yields . . . . . . . . . . 82
7.2.2 Centrality Dependence of the Temperature Parameter . . . . . 84
7.3 Baryon Transport and Stopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.3.1 Model Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.3.2 Mechanisms of Baryon Transport . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.3.3 Rapidity Loss and Stopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8 Conclusion and Outlook 97
Appendix
A Kinematic Variables 99
B The STAR Coordinate System 101
Bibliography 102