Vector mesons in medium in a transport approach

Abstract

In this thesis we use a transport-model approach to study the observability of in-medium modifications of vector mesons in various setups. In the past, a number of possible medium-modification schemes have been proposed, including effects like collisional broadening, a pole-mass shift (related to a partial restoration of chiral symmetry) and more complex scenarios. However, stringent experimental evidence turned out to be extremely hard to obtain.We use the Giessen BUU model (GiBUU) to study vector-meson production in proton-nucleus, nucleus-nucleus and photon-nucleus collisions. To observe in-medium changes of these mesons, the dilepton decay mode is particularly well-suited, since the leptons do not interact strongly with the surrounding hadronic medium. As an alternative, also hadronic decay modes like omega -> pi0 gamma are used, which are subject to hadronic final-state interaction, however.After a general introduction of the model, the first part of the thesis deals with dilepton spectra from pp, pA and AA reactions in the few-GeV regime, as measured by the DLS and HADES detectors. The DLS spectra pose a long-standing puzzle and have never been fully explained to date. However, they have been confirmed experimentally by the second-generation measurements of the HADES collaboration at GSI. Our investigations aim to give new impulses to the solution of the DLS puzzle and at the same time explain the new HADES data. In particular, we achieve an improved description of the elementary pp collisions by consistently incorporating effects of the baryonic resonances, which have often been neglected or underestimated in previous studies. Such effects already proved to be essential for the in-medium self-energies of vector mesons in heavy-ion collisions at higher energies (measured by the NA60 detector). We show that at low energies especially the rho meson´s coupling to baryon resonances can influence dilepton spectra - even in elementary pp collisions. Such effects provide an important link to the high-energy results and give an additional handle on in-medium properties of vector mesons.In the second part of the thesis, we investigate the pi0-gamma decay mode of the omega meson in photoproduction experiments, as carried out by the CBELSA/TAPS collaboration. The major obstacles of this approach are the long lifetime of the omega meson as well as the hadronic final-state interaction of the decay pion. Both of these effects together result in the pi0-gamma mass spectrum being only weakly sensitive to in-medium modifications of the omega meson. However, other observables can yield more information about the omega in medium. For example, transparency-ratio measurements have been used successfully to determine the absorption strength (and thus the collisional width) by comparison to transport simulations. Our investigations fully confirm the validity of this approach. Moreover, we identify further observables that exhibit a sensitivity to in-medium modifications, such as the excitation function and the momentum spectrum of pi0-gamma pairs. Both of these are primarily sensitive to a mass shift and thus yield information complementary to the transparency ratio. In dieser Arbeit wird ein hadronisches Transportmodell verwendet, um die Beobachtbarkeit möglicher In-Medium-Modifikationen von Vektormesonen in verschiedenen Situationen zu studieren. In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Ausprägungen solcher Modifikationen vorgeschlagen, sowohl einfache Kollisionsverbreiterungen und Massenverschiebungen (verknüpft mit der partiellen Restauration der chiralen Symmetrie) als auch komplexere Szenarien. Eine stringente experimentelle Bestätigung solcher Effekte stellte sich jedoch als schwierig heraus.Wir benutzen das Giessen-BUU Modell (GiBUU) zur Untersuchung von Vektormesonproduktion in Proton-Kern-, Kern-Kern- und Photon-Kern-Kollisionen. Für die Beobachtung von In-Medium-Modifikationen ist der Dilepton-Zerfallskanal besonders gut geeignet, da die Leptonen nicht stark mit dem umgebenden hadronischen Medium interagieren. Weiterhin werden auch hadronische Zerfallsmoden wie omega -> pi0 gamma benutzt, die jedoch starker Endzustandswechselwirkung unterliegen.Nach einer allgemeinen Einführung des Modells behandelt der erste Teil der Arbeit Dileptonspektren aus pp-, pA- und AA-Kollisionen im Energiebereich von wenigen GeV, die von den Detektoren DLS und HADES gemessen wurden. Die DLS-Spektren stellen seit ihrer Messung ein Rätsel dar und können bis zum heutigen Tage nicht vollständig erklärt werden. Allerdings wurden sie experimentell durch neue Messungen der HADES-Kollaboration an der GSI bestätigt. Unsere Untersuchungen zielen darauf ab, neue Impulse zur Lösung des langjährigen DLS-Puzzles zu geben und gleichzeitig die neuen HADES-Daten zu erklären. Insbesondere erlangen wir eine verbesserte Beschreibung der elementaren pp-Kollisionen durch eine konsistente Berücksichtigung der Effekte baryonischer Resonanzen, welche in früheren Studien oft vernachlässigt wurden. Solchen Effekten wurde bereits ein signifikanter Beitrag zur In-Medium-Selbstenergie der Vektormesonen in Schwerionenkollisionen bei höheren Energien zugeschrieben (die vom NA60 Detektor gemessen wurden). Wir zeigen, dass im Bereich niedriger Energien insbesondere die Kopplung des rho-Mesons an baryonische Resonanzen die Dilepton-Spektren beeinflussen kann - und zwar bereits in elementaren pp-Kollisionen. Solche Effekte stellen eine wichtige Verbindung zu den Hochenergieresultaten her und schaffen einen zusätzlichen Zugang zu den In-Medium-Eigenschaften der Vektormesonen.Im zweiten Teil der Arbeit wird der pi0-gamma-Zerfallskanal des omega-Mesons in Photoproduktions-Experimenten untersucht, welche von der CBELSA/TAPS-Kollaboration durchgeführt wurden. Hierbei stellen die lange Lebenszeit des omega-Mesons sowie die hadronische Endzustandswechselwirkung des Pions die größten Hindernisse dar. Zusammengenommen führen diese beiden Effekte dazu, dass das pi0-gamma-Massenspektrum nur schwach sensitiv auf In-Medium-Modifikationen des omega-Mesons ist. Allerdings können anhand anderer Observablen Informationen über das omega-Meson im Medium gewonnen werden. So wurden etwa Messungen des Transparency-Ratios genutzt, um durch Vergleich mit Transport-Simulationen die Absorptionsstärke (und somit die Kollisionsbreite) zu bestimmen. Die Anwendbarkeit dieser Methode wird durch unsere Untersuchungen klar bestätigt. Des Weiteren identifizieren wir zusätzliche Observablen, die eine Sensitivität auf In-Medium-Modifikationen aufweisen, wie etwa die Anregungsfunktion und das Impulsspektrum der pi0-gamma-Paare. Beide sind primär sensitiv auf eine Massenverschiebung und stellen somit Informationen bereit, welche komplementär zum Transparency-Ratio sind.