System-Size Dependence of Strangeness Production in Heavy-Ion Collisions at 158 AGeV

Hochenergetische Proton-Proton- und Kern-Kern-Kollisionen bieten die Möglichkeit, stark wechselwirkende Vielteilchensysteme bei hohen Energiedichten zu untersuchen. Werden bei diesen Stößen genügend hohe Temperaturen oder Baryonendichten erzeugt, so erwartet man einen Übergang in einen Materiezustand, in dem Quarks nicht mehr in Hadronen gebunden, sondern neben Gluonen als quasi-freie Teilchen vorliegen. Vor allem in zentralen Kollisionen schwerer Kerne wird erwartet, dass Energiedichte und Lebensdauer in der frühen Phase der Kollision hoch bzw. lang genug für einen Phasenübergang in ein solches Quark-Gluon-Plasma sind. Eine mögliche Signatur für diese Phase ist eine im Vergleich zu p-p-Stößen erhöhte Produktion Strangeness tragender Teilchen. Allerdings macht man diese Beobachtung nicht nur in zentralen Pb-Pb- und Au-Au-Stößen mit etwa 360 partizipierenden Nukleonen, sondern auch schon in zentralen S-S-Kollisionen mit nur 54 Partizipanten. In dieser Arbeit wird die Produktion von Strangeness tragenden Teilchen in Abhängigkeit von der Größe des Stoßsystems in symmetrischen A-A-Kollisionen bei einer Strahlenergie von 158 GeV pro Nukleon untersucht. Die Messungen wurden im Rahmen des NA49-Experiments am CERN-SPS mit einem Hadronenspektrometer großer Akzeptanz durchgeführt. In minimum-bias p-p- sowie in p-p-Kollisionen mit Selektion von Wechselwirkungen verschiedener Inelastizität, zentralen C-C- und Si-Si-Stößen werden die Produktionsraten von Kaonen, K*(892) und phi-Mesonen analysiert. Die Häufigkeit von Pionen wird zur Normierung der Strangeness-Produktion ebenfalls bestimmt. Zusammen mit publizierten Werten für die Systeme S-S und Pb-Pb erhält man damit einen Datensatz mit systematischer Variation des Eingangskanals. Die Transversalimpuls-Spektren zeigen eine mit der Systemgröße ansteigende kollektive Expansion der Reaktionszone. Die Produktion von Strangeness tragenden Teilchen relativ zu den Pionen ist gegenüber p-p schon in C-C und Si-Si deutlich erhöht. Sie steigt mit der Systemgröße zunächst rasch an, zusammen mit Daten für zentrale S-S- und Pb-Pb-Kollisionen zeigt sich jedoch eine Sättigung ab etwa 60 am Stoß partizipierenden Nukleonen. Im Diskussionsteil dieser Arbeit werden anhand von Daten und Modellrechnungen verschiedene Gründe für den in Kern-Kern-Kollisionen beobachteten Überschuss von Strangeness tragenden Hadronen sowie für dessen Anstieg mit der Systemgröße untersucht. Aus verschiedenen Beobachtungen schliesst man, dass sekundäre Wechselwirkungen insbesondere in den leichten Systemen wie C-C und Si-Si keine signifikante Rolle spielen. Die Idee, dass die höheren Anregungsenergien einzelner Resonanzen/Strings in Kern-Kern-Kollisionen in Folge der sequentiellen N-N-Stöße verantwortlich für die erhöhte Strangeness-Produktion sind, läßt sich durch die Untersuchung von p-p Reaktionen in verschiedenen Inelastizitätsklassen verwerfen. Um einen Zugang zu den relevanten physikalischen Parametern zu erhalten, die die Erhöhung der Strangeness-Produktion bedingen, wird die beim Vergleich von zentralen Kern-Kern mit periphären Pb-Pb-Kollisionen beobachtete Geometrieabhängigkeit durch die Suche nach einer gemeinsamen Skalierungsvariablen ausgenutzt. Die mittlere Dichte inelastischer Stöße in Raum und Zeit in der ersten Phase der Reaktion, in der die Kerne einander durchdringen, stellt eine solche Skalierungsgröße dar. Die Schlußfolgerung in dieser Arbeit ist daher, dass eine hohe Kollisionsdichte zur Ausbildung kohärenter partonischer Systeme führt, die aus mehreren angeregten Nukleonen oder Strings gebildet werden und als quantenmechanische Gesamtheit zerfallen. Aufgrund der hohen Anregung dieser Systeme sind sie und/oder ihr Zerfall statistisch beschreibbar und unterliegen damit dem Phenomen der kanonischen Strangeness-Unterdrückung: Aus thermodynamischen Modellen ist ein Volumeneffekt für erhaltene Quantenzahlen, hier der Strangeness, bekannt, wenn (mit dem Volumen) die Anzahl der Träger dieser Quantenzahl ansteigt und das System statt als kanonisches als großkanonisches Ensemble betrachtet werden kann. Der durch die Ausbildung von kohärenten Systemen erfolgte Anstieg des Hadronisierungsvolumens bedingt damit die Aufhebung der durch die Forderung von Strangeness-Erhaltung entstandenen Einschränkung der Strangeness-Produktion in kleinen Volumina, und somit folgt eine erhöhte Strangeness-Produktion im Vergleich zum unabhängigen Zerfall einzelner Strings, d.h. zu p-p.