Multiplicity Fluctuations in Heavy Ion Collisions at CERN SPS

The system size and centrality dependence of multiplicity fluctuations in nuclear collisions at $158A$ GeV as well as the energy dependence for the most central $Pb+Pb$ collisions were studied by the NA49 experiment at CERN SPS. A strong increase of fluctuations was observed with decreasing centrality in $C+C$, $Si+Si$ and $Pb+Pb$ collisions. The string hadronic models (UrQMD, Venus, HIJING, HSD) can not reproduce the observed increase. This may indicate a strong mixing of target and projectile contribution in a broad rapidity range. For the most central collisions at all SPS energies multiplicity distributions are significantly narrower than a corresponding Poisson one both for negatively and positively charged hadrons. The UrQMD model seems to reproduce the measured values on scaled variance. Statistical model calculations overpredict results when conservation laws are not taken into account.Comment: Proceedings Quark Confinement and the Hadron Spectrum VI

Searching for the Critical Point of QCD: Theoretical Benchmark Calculations

We present a comprehensive study of event-by-event multiplicity fluctuations in nucleon-nucleon and nucleus-nucleus interactions from AGS/FAIR to RHIC energies within the UrQMD transport approach. The scaled variances of negative, positive, and all charged hadrons are analysed. The scaled variance in central Pb+Pb collisions increases with energy and behaves similar to inelastic p+p interactions. We find a non-trivial dependence of multiplicity fluctuations on the rapidity and transverse momentum interval used for the analysis and on the centrality selection procedure. Quantitative predictions for the NA49 experiment are given, taking into account the acceptance of the detector and the selection procedure of central events.Comment: 10 pages, 10 figure

Energieabhängigkeit der Multiplizitätsfluktuationen in Schwerionenkollisionen am CERN SPS

In this work data of the NA49 experiment at CERN SPS on the energy dependence of multiplicity fluctuations in central Pb+Pb collisions at 20A, 30A, 40A, 80A and 158A GeV, as well as the system size dependence at 158A GeV, is analysed for positively, negatively and all charged hadrons. Furthermore the rapidity and transverse momentum dependence of multiplicity fluctuations are studied. The experimental results are compared to predictions of statistical hadron-gas and string-hadronic models. It is expected that multiplicity fluctuations are sensitive to the phase transition to quark-gluon-plasma (QGP) and to the critical point of strongly interacting matter. It is predicted that both the onset of deconfinement, the lowest energy where QGP is created, and the critical point are located in the SPS energy range. Furthermore, the predictions for the multiplicity fluctuations of statistical and string-hadronic models are different, the experimental data might allow to distinguish between them. The used measure of multiplicity fluctuations is the scaled variance omega, defined as the ratio of the variance and the mean of the multiplicity distribution. In the NA49 experiment the tracks of charged particles are detected in four large volume time projection chambers (TPCs). In order to remove possible detector effects a detailed study of event and track selection criteria is performed. Naively one would expect Poisson fluctuations in central heavy ion collisions. A suppression of fluctuations compared to a Poisson distribution is observed for positively and negatively charged hadrons at forward rapidity in Pb+Pb collisions. At midrapidity and for all charged hadrons the fluctuations are larger than the Poisson ones. The fluctuations seem to increase with decreasing system size. It is suggested that this is due to increased relative fluctuations in the number of participants. Furthermore, it was discovered that omega increases for decreasing rapidity and transverse momentum. A hadron-gas model predicts different values of omega for different statistical ensembles. In the grand-canonical ensemble, where all conservation laws are fulfilled only on the average, not on an event-by-event basis, the predicted fluctuations are the largest ones. In the canonical ensemble the charges, namely the electrical charge, the baryon number and the strangeness, are conserved for each event. The scaled variance in this ensemble is smaller than for the grand-canonical ensemble. In the micro-canonical ensemble not only the charges, but also the energy and the momentum are conserved in each event, the predicted $omega$ is the smallest one. The grand-canonical and canonical formulations of the hadron-gas model over-predict fluctuations in the forward acceptance. In contrast to the experimental data no dependence of omega on rapidity and transverse momentum is expected. For the micro-canonical formulation, which predicts small fluctuations in the total phase space, no quantitative calculation is available yet for the limited experimental acceptance. The increase of fluctuations for low rapidities and transverse momenta can be qualitatively understood in a micro-canonical ensemble as an effect of energy and momentum conservation. The string-hadronic model UrQMD significantly over-predicts the mean multiplicities but approximately reproduces the scaled variance of the multiplicity distributions at all measured collision energies, systems and phase-space intervals. String-hadronic models predict for Pb+Pb collisions a monotonous increase of omega with collision energy, similar to the observations for p+p interactions. This is in contrast to the predictions of the hadron-gas model, where omega shows no energy dependence at higher energies. At SPS energies the predictions of the string-hadronic and hadron-gas models are in the same order of magnitude, but at RHIC and LHC energies the difference in omega in the full phase space is much larger. Experimental data should be able to distinguish between them rather easily. Narrower than Poissonian (omega < 1) multiplicity fluctuations measured in the forward kinematic region (1<y(pi)<y_{beam}) can be related to the reduced fluctuations predicted for relativistic gases with imposed conservation laws. This general feature of relativistic gases may be preserved also for some non-equilibrium systems as modeled by the string-hadronic approaches. A quantitative estimate shows that the predicted maximum in fluctuations due to a first order phase transition from hadron-gas to QGP is smaller than the experimental errors of the present experiment and can therefore neither be confirmed nor disproved. No sign of increased fluctuations as expected for a freeze-out near the critical point of strongly interacting matter is observed.In dieser Arbeit wird die Energieabhängigkeit der Multiplizitätsfluktuationen in zentralen Schwerionenkollisionen mit dem NA49-Experiment am CERN SPS- Beschleuniger untersucht. Bei sehr hohen Energiedichten erwartet jedoch, dass die Bestandteile der Nukleonen, die Quarks, nicht länger in einzelne Hadronen gebunden sind, sondern sich frei in einem größeren Volumen bewegen können. Diesen Materiezustand bezeichnet man als Quark-Gluon-Plasma (QGP). Im frühen Universum und im Inneren von Neutronensternen wird QGP vermutet. Im Phasendiagramm der stark wechselwirkenden Materie ist vorhergesagt, dass die Hadronengas-Phase von der QGP-Phase bei höheren Baryonendichten durch einen Phasenübergang 1. Ordnung, bei kleineren Baryonendichten hingegen durch einen kontinuierlichen Übergang, separiert ist. Ein kritischer Punkt soll beide Bereiche trennen. Am SPS- Beschleuniger des europäischen Kernforschungszentrums CERN bei Genf können Blei- Ionen derart beschleunigt werden, dass bei ihren Kollisionen kurzzeitig Energiedichten erreicht werden, die für die Bildung von QGP ausreichen. Da der Feuerball der Kollision schnell expandiert, zerfällt das eventuell vorhandene QGP und bildet Hadronen, die mit Detektoren gemessen werden können. Anhand verschiedener Observablen dieses hadronischen Endzustandes versucht man, Informationen über die frühe, dichte Phase der Schwerionenkollision zu erhalten. Der Bestimmung der Multiplizitätsfluktuationen liegt die entsprechende Multiplizitätsverteilung zugrunde. Sie gibt die Wahrscheinlichkeit P(n) an, dass in einer Kollision n Teilchen produziert werden. Die in dieser Arbeit verwendete Observable der Multiplizitätsfluktuationen ist die Scaled Variance omega, definiert als das Verhältnis der Varianz der Multiplizitätsverteilung und ihres Mittelwerts. Wenn die Multiplizität der Kollisionen einer Poisson-Verteilung folgt, ist omega=1. Modelle sagen voraus, dass im Bereich des Onsets of Deconfinement, also der niedrigsten Kollisionsenergie, wo QGP gebildet wird, und in der Nähe des kritischen Punkts die Teilchenmultiplizität von Kollision zu Kollision stark fluktuiert. In mehreren Blasenkammer-Experimenten wurde die Energieabhängigkeit der Multiplizitätsfluktuationen in inelastischen p+p Kollisionen im vollen Phasenraum studiert. Dabei wurde entdeckt, dass omega in einem großen Energiebereich eine lineare Funktion der mittleren Multiplizität ist. In dieser Arbeit wird nun erstmals die Energieabhängigkeit der Multiplizitätsfluktuationen in zentralen Schwerionenkollisionen untersucht. Dazu werden Daten des NA49- Experiments verwendet. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Analyse der Energie- und Systemgrößenabhängigkeit der Mulitplizitätsfluktuationen in zentralen Kollisionen. In der Vorwärtsakzeptanz für positiv und negativ geladene Hadronen in zentralen Pb+Pb-Kollisionen ist omega <1, die Multiplizitätsverteilung ist also schmaler als die entsprechende Poisson-Verteilung. Im Midrapidity-Bereich sind die Fluktuationen größer. Für alle geladenen Hadronen ist omega größer als für positive oder negative Hadronen separat. Die Energieabhängigkeit von omega in Pb+Pb-Kollisionen zeigt keine signifikante Struktur, die als ein Signal des kritischen Punkts oder des Onsets of Deconfinement interpretiert werden kann. Omega in C+C und Si+Si-Kollisionen ist größer als in Pb+Pb-Kollisionen bei der gleichen Energie. Weiterhin wird die Abhängigkeit von omega von der Rapidität y und des Transversalimpulses pt studiert. Omega ist größer für Rapiditäten nahe Midrapidity und für kleine Transversalimpulse. Die experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit wurden auf mehreren Konferenzen gezeigt, die finalen Daten sind bei Physical Reviev C eingereicht und befinden sich derzeit im Review-Prozess. In einem statistisches Hadron-Gas-Modell ist omega für verschiedene statistische Ensembles unterschiedlich groß, omega ist also von der Anzahl der Erhaltungssätze abhängig, die in jeder Kollision erfüllt werden müssen. Für das großkanonische und kanonische Ensemble kann man die Modellvorhersagen von omega im vollen Phasenraum mit den experimentellen Daten vergleichen. Beide Ensemble sind im Widerspruch zu den experimentellen Ergebnissen. Im Rahmen dieser Arbeit erstellte und publizierte UrQMD-Rechnungen zeigen für Pb+Pb-Kollisionen eine ähnliche Energieabhängigkeit von omega wie für p+p-Kollisionen, nämlich ein Anstieg mit steigender Kollisionsenergie. Die UrQMD-Modellrechnungen für omega stimmen mit den experimentellen Daten in zentralen C+C, Si+Si und Pb+Pb Kollisionen gut überein. Auch die Anhängigkeit der Scaled Variance von y und pt wird von UrQMD gut reproduziert

Pionenproduktion in Stößen leichter Kerne bei 40 und 158 GeV pro Nukleon

In dieser Arbeit wurde die Pionenproduktion in C + C und Si + Si - Kollisionen bei 40A GeV und 158A GeV untersucht. Dazu wurden zwei vollkommen unterschiedliche Methoden, die dE/dx- Teilchenidentifizierung und die h- - Methode, bei der der Anteil von Nicht- Pionen simuliert wird, verwendet. Die Ergebnisse beider Methoden stimmen gut überein, die Differenz fließt in den systematischen Fehler ein. Für die Bestimmung der totalen Multiplizitäten und mittleren transversalen Massen wurde die h- - Methode aufgrund ihrer größeren Akzeptanz gewählt. Zusätzlich wurde für 40A GeV C + C eine zentralitätsabhängige Analyse der Pionenmultiplizitäten vorgenommen. Die Ergebnisse dieser Analyse sollten jedoch als vorläufig angesehen werden. Die Ergebnisse meiner Analyse wurden mit der von C. Höhne [14] bei 158A GeV verglichen, sie stimmen innerhalb der Fehler überein. Es wurden Modelle zur Simulation von Kollisionen (UrQMD, Venus) vorgestellt und angewandt, um die experimentellen Ergebnisse mit den Vorhersagen der Simulationen zu vergleichen. Ein weiteres Modell (Statistical Model of the Early Stage) wurde vorgestellt, welches die qualitative und anschauliche Interpretation der Daten erlaubt. Die Ergebnisse wurden als Energie- und Systemgrößenabhängigkeitsplots zusammen mit anderen NA49- Ergebnissen, Ergebnissen anderer Experimente und Simulationsvorhersagen gezeigt und diskutiert. Der Übergang von der Unterdrückung der Pionenproduktion in Pb+Pb - Kollisionen relativ zu p+p zu einer Erhöhung der Pionenproduktion bei niedrigen SPS-Energien wurde auch bei kleinen Systemen, C + C und Si + Si , beobachtet. Eine Interpretation der Pionenmultiplizitäten mit den Statistical Model of the Early Stage legt die Vermutung nahe, dass bereits bei 40A GeV C + C - Kollisionen Quark- Gluon- Plasma gebildet wird. Diese Vermutung muss allerdings durch die Betrachtung weiterer Observabler noch bestätigt werden

Energy dependence of transverse mass spectra of kaons produced in p+p and p+pbar interactions.A compilation

The data on m_T spectra of K0S K+ and K- mesons produced in all inelastic p+p and p+pbar interactions in the energy range sqrt(s)NN=4.7-1800GeV are compiled and analyzed. The spectra are parameterized by a single exponential function, dN/(m_T*dm_T)=C exp(-m_T/T), and the inverse slope parameter T is the main object of study. The T parameter is found to be similar for K0S, K+ and K- mesons. It increases monotonically with collision energy from T~30MeV at sqrt(s)NN=4.7GeV to T~220MeV at sqrt(s)NN=1800GeV. The T parameter measured in p+p and p+pbar interactions is significantly lower than the corresponding parameter obtained for central Pb+Pb collisions at all studied energies. Also the shape of the energy dependence of $T$ is different for central Pb+Pb collisions and p+p(pbar) interactions.Comment: more differential analysis adde

NA49 results on hadron production: indications of the onset of deconfinement ?

The NA49 experiment at the CERN SPS measured the energy and system size dependence of particle production in A+A collisions. A change of the energy dependence of several hadron production properties at low SPS energies is observed which suggests a scenario requiring the onset of deconfinement.Comment: XXXV International Symposium on Multiparticle Dynamics 200

Energy dependence of multiplicity fluctuations in heavy ion collisions

The energy dependence of multiplicity fluctuations was studied for the most central Pb+Pb collisions at 20A, 30A, 40A, 80A and 158A GeV by the NA49 experiment at the CERN SPS. The multiplicity distribution for negatively and positively charged hadrons is significantly narrower than Poisson one for all energies. No significant structure in energy dependence of the scaled variance of multiplicity fluctuations is observed. The measured scaled variance is lower than the one predicted by the grand-canonical formulation of the hadron-resonance gas model. The results for scaled variance are in approximate agreement with the string-hadronic model UrQMD

System size and centrality dependence of the balance function in A+A collisions at sqrt[sNN]=17.2 GeV

Electric charge correlations were studied for p+p, C+C, Si+Si, and centrality selected Pb+Pb collisions at sqrt[sNN]=17.2 GeV with the NA49 large acceptance detector at the CERN SPS. In particular, long-range pseudorapidity correlations of oppositely charged particles were measured using the balance function method. The width of the balance function decreases with increasing system size and centrality of the reactions. This decrease could be related to an increasing delay of hadronization in central Pb+Pb collisions