A Study of Number-Ratio Fluctuations in Gold-Gold Interactions at sqrt(s_NN)=200 GeV

Abstract

The properties of the basic building blocks of nuclear matter, the quarks, and their interactions are not known in detail, largely because observations are complicated by the confinement of quarks in composite particles. New insights can be gained from the study of nuclear matter in a deconfined phase, like the form of matter that the Universe consited of early in its evolution according to the Big Bang theory.



Collisions between heavy atomic nuclei at high energies can be used to probe the phases of nuclear matter. When high enough energy densities are reached in these collisions, a transition to the deconfined quark-gluon plasma phase and back may take place, with expected impacts on the fluctuations in the medium. The amplitude of these fluctuations will depend on the order of the phase transition. Thus, studies of fluctuations provide information on the properties of nuclear matter under different conditions. This thesis describes a detailed study of kaon-to-pion and proton-to-pion particle-number fluctuations in collisions of high-energy Gold nuclei. Experimental data from collisions at a centre-of-mass energy of 200 GeV per nucleon-nucleon pair are analysed within the collaboration of the PHENIX experiment at Brookhaven National Laboratory, New York (USA).



The results show that there is little room for dynamical fluctuations, resulting from a sharp phase transition, in these collisions. This study demonstrates how important it is to analyse fluctuations in charge combinations of different particle species separately, when attempting to disentangle the various contributions to the observed fluctuations.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Experimentella data från kollisioner mellan guldjoner vid hög energi har analyserat inom ramen för experimentet PHENIX, som finns vid en av kollisionspunkterna vid ''the Relativistic Heavy-Ion Collider'' på ''Brookhaven National Laboratory'', New York (USA).



Kollisioner med tunga joner, så som guld, används i försök till att återskapa de förhållanden som fanns i universum strax efter Big bang genom att i experiment skapa så hög energitäthet som möjligt. Detta skulle göra det möjligt att studera den form av materia som universum bestod av vid den tidpunkten och därmed öka vår kunskap om de grundläggande fysiska lagarna. De tunga jonerna tillförs energi genom att accelereras upp i hastigheter mycket nära ljusets. När de sedan tillåts kollidera koncentreras deras rörelseenergi och massa i kollisionspunkten.



Precis som vatten har de olika faserna is, vätska och ånga, har den materia som atomkärnor består av också olika faser. Kärnmateriens minsta beståndsdelar är kvarkarna som, förutom elektrisk laddning, även bär på något som kallas färgladdning. Färgladdade partiklar växelverkar genom en av de fundamentala krafterna i naturen som kallas den starka kraften. Vanligtvis är kvarkarna alltid uppbundna av den starka kraften i färglösa partiklar, exempelvis de protoner och neutroner som bygger upp alla atomkärnor. Det gör att vi normalt inte kan se, eller mäta, kvarkarna, eftersom den starka kraften, som namnet anger, är mycket stark. En egenhet hos den starka kraften är att den blir starkare med ökat avstånd och minskar i styrka vid små avstånd, till skillnad mot vad vi är vana vid med andra, mer vardagliga, krafter så som elektromagnetism eller gravitation. Om temperaturen är väldigt hög bildas det så många kvark-antikvarkpar att avståndet mellan kvarkarna blir tillräckligt litet för att den starka kraften ska tappa i styrka. Kvarkarna uppträder då som fria. Detsamma sker om trycket är så högt att de partiklar som kvarkarna är bundna i börjar överlappa. Då sker en fasövergång, varvid materien infinner sig i den fas som kallas kvark-gluon-plasma. Det är alltså ett färgladdat plasma av kvarkar och gluoner. Gluonerna, från engelskans ''glue''=klister, är de som förmedlar den starka kraften. Detta är det tillstånd som det antas att universum befann sig i upp till några miljondels sekunder efter Big bang och det är det vi försöker återskapa i våra experiment.



Fasövergångar kan vara mer eller mindre våldsamma med följd att det kan uppstå fluktuationer i fördelningen av partiklar som materien består av. I exemplet med vatten syns detta tydligt om man studerar kokande vatten i en kastrull. I vattnet bildas bubblor av ånga i varierande storlekar. Hur stora dessa fluktuationer blir beror på vilken typ av fasövergång det är frågan om. Det är sådana fluktuationer som avhandlas här. Förhoppningen är att vi ska få bättre förståelse för kvarkarna, gluonerna och de lagar som styr deras växelverkan genom den starka kraften.

• author: Haslum, Eva
• supervisor: Evert Stenlund; Anders Oskarsson
• opponent: Helstrup, Håvard, Bergen University College
• organization: Particle and nuclear physics
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Subatomic Physics
• keywords: Fluctuations, Heavy-Ion Collisions, PHENIX, RHIC
• defense location: Sal B, Department of Physics
• defense date: 2011-05-20 13:15:00
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 061c8189-b8a6-4bfe-af26-0bcfa3fa6418 (old id 1897733)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:13:14
• date last changed: 2018-11-21 21:12:44