Arbeitsgruppe Tetyana Galatyuk
Untersuchung von Quark-Materie mit virtuellen Photonen

Messungen

Das High-Acceptance Di-Electron Spectrometer (HADES, dt. „Di-Elektronenspektrometer mit hoher Akzeptanz“) ist mit dem primären Ziel gebaut worden, Elektronen und Positronen aus Schwerionen- und Hadronen-Kollisionen (z.B. Pionen und Protonen) zu vermessen. In unseren Analysen werden einzelne Leptonen durch moderne Techniken, zum Beispiel durch Künstliche Intelligenz, identifiziert und dann zu den entsprechenden Dileptonen-Paaren zusammen gefasst. Die entstehenden Paare können auf verschiedenste Art untersucht werden, aber ein Fokus liegt auf der Rekonstruktion der Spektren der invarianten Masse. Diese Spektren sind die einzige Observable, die direkten Zugriff auf die Modifikationen der hadronischen Spektralfunktionen im Medium erlaubt. Durch Simulationen und Informationen über andere Teilchen (zum Beispiel Pionen) kann das Spektrum so weit eingeschränkt werden, bis es nur noch aus Dileptonen-Paaren besteht, die aus den heißesten und dichtesten Phasen der Kollision stammen. Das Spektrum, dass durch die Korrektur der hadronischen Endzustands-Zerfälle entsteht, ist in der Darstellung zu sehen. Es wird durch die Subtraktion des Hadronischen Cocktails von den Daten ermittelt. Das resultierende Spektrum in Fig. 3 erlaubt es uns, wichtige physikalische Größen gewinnen: Mikroskopische Eigenschaften des heißen und dichten Mediums, seine kollektive Expansionsdynamik und seine Transporteigenschaften.

Wir analysieren Dielektronen-Daten aus Schwerionenkollisionen (Au+Au, Ag+Ag), wie auch elementaren Kollisionen (Protonen- oder Pionen-Strahlen, die auf Protonen oder schwere Ziele geschossen werden).

Publikationsliste der HADES-Kollaboration auf inSPIRE.

Der relativistische Schwerionen-Collider (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) deckt die Energien von √(sNN) = 7.7 – 200 GeV ab. Das STAR-Experiment (kurz für Solenoid-Tracker am RHIC) wurde in den Jahren 2018-2019 erfolgreich erweitert. Unsere Gruppe ist in eines der größeren Updates des Detektors involviert: Das End-Cap-Flugzeit System(eTOF, in Kooperation mit CBM, als FAIR Phase-0-Projekt) Das eTOF-Upgrade wird Teilchenidentifikation in der durch das inner TPC-Sektoren-Upgrade vergrößerten Pseudeorapiditätsspanne bereitstellen.

Wir analysieren Dielektronen-Daten mit dem Ziel, die Temperatur der stark wechselwirkenden Materie zu messen, die in Gold-Gold-Kollisionen bei 200 GeV während der Strahlzeiten von STAR am RHIC in den Jahren 2014 und 2016 entstand.

Im Jahr 2018, unter Benutzung des fest installierten Gold-Targets im STAR-Experiment, wurden 260 Millionen Gold-Gold-Kollisionen bei Kollisionsenergien bis hinunter zu √(sNN)= 3 GeV registriert. Im Jahr 2021 wurden weitere zwei Milliarden Events registriert, was das Studium der thermischen Dileptonenspektren ermöglicht.

FAIR – Facility for Antiproton and Ion Research in Europe GmbH (Anlage für Antiprotonen. und Ionenforschung in Europa, GmBH), mit dem SIS100-Beschleuniger wird einzigartige Mittel für die Erforschung des Phasendiagramms in der Region hoher Baryonendichten mit seltenen und durchdringenden Sonden liefern. Der Betrieb bei hohen Raten ist die Schlüsselkomponente für die hochpräzisen Messungen multidifferentieller Observablen und seltener Sonden, die für die dichte Phase des nuklearen Feuerballs empfindlich sind. Das CBM-Experiment (Komprimierte Baryonische Materie) wird auf dem Gebiet der multidifferentiellen Messungen von Dileptonen aus dem heißen und dichten Feuerball Pionierarbeit über den gesamten Massenbereich leisten. Ein sehr wichtiger Teil des CBM-Forschungsprogramms werden äußerst präzise Messungen der Verteilung der invarianten Masse der Dileptonen zwischen 1 and 2,5 GeV/c2 für verschieden Strahlenergien sein. Mit Hinblick auf SPS-, RHIC- und LHC-Energien wird der Beitrag der Dileptonen aus Drell-Yan-Prozessen, korrelierten Charm-Zerfällen oder gar dem Quark-Gluonen-Plasma, die in dieser Massenregion ebenfalls auftreten, bei einer Strahlenergie von 10 AGeV dramatisch reduziert. Das erlaubt direkten Zugriff auf die Temperatur des frühen, sich entwickelnden Feuerballs. Die präzise Vermessung der Energieabhängigkeit der Steigung des Spektrums eröffnet die einzigartige Möglichkeit, die kalorische Kurve zu messen, was das erste direkte experimentelle Zeichen für die Phasenkoexistenz in extrem dichter baryonischer Materie wäre. Unsere Gruppe arbeitet an der systematischen Untersuchung der multidifferenziellen Emissionswahrscheinlichkeiten mit realistischen Event-Generatoren und realistischen Detektorsimulationen. Die Empfindlichkeit des der entsprechenden Experimente wird durch Monte-Carlo-Methoden bewertet.

Die Kopplung massiver, virtueller Photonen an Baryonen-Resonanzen kann experimentell durch den πN→R→e+e-N-Prozess untersucht werden, für den weder experimentelle Daten noch verlässliche theoretische Vorhersagen existieren. Aufgrund dieser Unsicherheiten bei der theoretischen Beschreibung des elementaren Wirkungsquerschnitts ist es nötig, dass die exklusiven Querschnitte für die Dileptonenproduktion vermessen werden. Unsere Gruppe vermisst daher auch Pionen- und Protonen-induzierte Reaktionen.

Das Verständnis des Überschusses in der Dileptonenstrahlung erfordert unterstützende Studien auf Basis verschiedener Modelrechnungen. Deshalb sind umfassende Informationen über die Produktion von Mesonen nötig, um einen Maßstab zu setzen und diese Berechnungen einzuschränken. In diesem Kontext sind insbesondere das neutrale π und das neutrale η-Meson interessant, da sie zum Spektrum durch ihre Dalitz-Zerfälle viel beitragen. Die Messung der elektromagnetischen Zerfälle von π0 und η ist möglich durch externe Konversion von Photonen im Detektormaterial oder durch die Detektion von Photonen im elektromagnetischen Kalorimeter. Unsere Gruppe rekonstruiert π0- und η-Mesonen.

Globale Polarisation von Λ-Baryonen als Funktion der Schwerpunktsenergie. Aus Phys.Lett.B 835 (2022) 137506.

In Schwerionenkollisionen manifestiert sich die Bewegung der Teilchen in einem als „kollektivem Fluss“ (engl. „collective flow“) bezeichneten Phänomen, aber auch in der Verwirbelungsstruktur des Systems. Die Wirbelstruktur wird in der erzeugten Materie, die sich wie ein Fluid verhält, in die Spin-Polarisation der produzierten Teilchen übersetzt. Der bekannteste Effekt ist die globale Polarisierung, die durch den endlichen Stoß-Parameter bei nicht-zentralen Kollisionen zustande kommt. Die Paritätsverletzung bei schwachen Zerfällen ermöglicht eine Messung der Spin-Richtung zum Beispiel der seltsamen Hyperonen. Die Analyse erfordert eine große Zahl gemessener Kollisionen und eine sehr reine Datenbasis, sodass Techniken des Maschinellen Lernens benutzt werden, um die Effizienz zu verbessern. Stand 2022 wurde die größte Polarisation in Schwerionenkollisionen von HADES gemessen, was dieses Forschungsfeld hochinteressant macht.

Ein signifikanter Fortschritt beim Verständnis von Schwerionenkollisionen könnte erzielt werden, wenn wir die Dynamik angeregter Baryonen besser verstünden. Die direkte Rekonstruktion dieser Teilchen ist eine Herausforderung, da die Resonanzen sehr breit sind. Die Berechnung der Wirkungsquerschnitte hängt vom Wissen über den zugrundeliegenden kombinatorischen Hintergrund ab. Unsere Gruppe hat eine iterative Methode entwickelt, die Signal und Hintergrund ohne Input-Modelle für Normierungskonstanten identifizieren kann. Weitere Details finden Sie in unserer Veröffentlichung Eur.Phys.J.A 55 (2019) 11, 204 • e-Print: 1808.05466 [physics.data-an]

Durch diese innovative Methode haben wir die Emission korrelierter Pion-Proton-Paare von heißer und dichter QCD-Materie rekonstruiert (HADES Collaboration, Phys.Lett.B (2021) 136421 • e-Print: 2012.01351 [nucl-ex]).