PhD Thesis Claudius Groß

Energie- und Massenbilanz der Multifragmentation

Frankfurt, 1997

Summary: (Taken from Chapter 8 Diskussion und Ausblick)

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Zerfall von Spektatorrestkernen bei relativistischen Energien untersucht. Die schon in früheren Analysen beobachtete Universalität in Bezug auf die Unabhängigkeit der Ladungskorrelationen von der Einschussenergie konnte hier um die Universalität der Multiplizität der leichten Teilchen erweitert werden. Daraus folgt die Unabhängigkeit der Systemgrösse von der Einschussenergie. Diese Systemgrösse ist in guter Übereinstimmung zu der geometrischen Vorstellung des fireball-Modelles. In Abhängigkeit des Stossparameters wird ein im Rapiditätsraum gut definierter Projektil- und Targetrestkern gebildet. Der Aufbruch dieser Quelle in die Fragmente lässt sich mit einem statistischen Modell beschreiben, hier wurde das statistische Multifragmentationsmodell SMM benutzt. Innerhalb des Modelles können die Ladungskorrelationen - diese werden von den Teilchen mit Z>=2 dominiert - und die Temperatur THeLi gleichzeitig beschrieben werden. Es ergeben sich aber kleine Diskrepanzen in den kinetischen Energien und massive Widersprüche zu den Daten bei den kinetischen Energien und den Multiplizitäten der leichten Bruchstücke - Neutronen und Wasserstoffisotope.

Diese leichten Teilchen weichen auch in den Daten von der für die Fragmente gefundenen Universalität (Unabhängigkeit von der Einschussenergie) ab. Hier gibt es für die kinetische Energie der Neutronen eine signifikante Abhängigkeit von der Einschussenergie. In der Analyse überträgt sich diese Abhängigkeit auf die Wasserstoffisotope, deren kinetische Energien bisher nur für das System Au+Au bei 1000 AMeV gemessen wurden; für die niedrigeren Einschussenergien - 600 und 800 AMeV - wurde die kinetische Energie der Wasserstoffisotope aus der kinetischen Energie der Neutronen abgeleitet. Die Abschätzung wurde für das gemessene System überprüft und stellte sich dort als sinnvoll heraus. In der Leichtteilchenmultiplizität konnte keine Abhängigkeit von der Einschussenergie beobachtet werden. Hier zeigt sich wiederum `universelles' Verhalten, ebenso wie bei den kinetischen Energien der Fragmente. Für die Energiebilanz bedeutet das, dass diese mit zunehmender Zentralität der Reaktion mehr und mehr von der Einschussenergie abhängt, da die leichten Teilchen das System zunehmend dominieren. Die Energiebilanz wurde bisher als Anregungsenergie des Präfragmentes angesehen, es stellt sich aber die Frage, inwieweit diese als Anregungsenergie für die Fragmentation zu interpretieren ist. Hier könnte vermutet werden, dass die `universellen' Eigenschaften, und dabei insbesondere die Ladungskorrelationen, möglicherweise nicht in ausreichendem Masse sensitiv auf die Anregungsenergie sind. Im Rahmen des statistischen Multifragmentationsmodelles zeigt sich aber eine ausserordentlich grosse Sensitivität der Ladungskorrelationen auf die Anregungsenergie, so dass die Ursache für die verschiedenen Anregungsenergien alleine in einem Prozess zu suchen ist, der von SMM nicht beschrieben werden kann. Es liegt die Vermutung nahe, dass es sich um Vorgleichgewichtseffekte handelt, die von einem statistischen Modell, das als Voraussetzung von einem Gleichgewichtszustand ausgeht, nicht beschrieben werden können. In den Daten ergeben sich mehrere Anhaltspunkte für Vorgleichgewichtseffekte in den leichtesten Bruchstücken. So sind diese in den Rapiditätsverteilungen nicht wie die Fragmente mit Z>2 eindeutig einer isotropen Quelle zuzuordnen, es zeigt sich hier eine asymmetrische Rapiditätsverteilung mit einer Überhöhung zwischen Strahlrapidität und mittlerer Rapidität. Dieser Effekt wurde in der Analyse korrigiert, indem nur der Anteil in den Rapiditätsspektren der Projektilquelle zugeordnet wurde, der einer isotropen Verteilung entspricht. Der Effekt kann aber nicht quantifiziert werden, da die transversale Verteilung dieser `Prääquilibriums'- oder auch nur `pre-breakup'-Teilchen nicht bestimmt werden kann. Ein weiteres Indiz für einen nicht äquilibrierten Ursprung der leichten Teilchen liefern deren kinetische Energien. Hier ist zu beobachten, dass die mittlere kinetische Energie mit zunehmender Masse der Teilchen abnimmt (s. Abbildung 52). In einem thermischen Szenario erwartet man die Unabhängigkeit der kinetischen Energie pro Teilchen von der Masse, in einem Szenario mit Fluss eine Zunahme der mittleren kinetischen Energie mit der Masse. Die kinetischen Energien der schwereren Fragmente zeigen ein Verhalten, wie man es von einer thermischen Quelle erwartet (s. Abbildung 53). Hier kann also vermutet werden, dass die leichtesten Teilchen zu einem grossen Teil in einer frühen und heissen Phase der Reaktion emittiert werden. Dafür spricht auch, dass die Differenz der kinetischen Energien von Neutronen und Protonen durch Coulomb-Abstossung bei einer grossen Kerndichte, die der Grundzustandsdichte *=*0 entspricht, am besten beschrieben werden kann (s. Abbildung 51).

Aus den Daten ist aber der Anteil der leichten Teilchen, die nicht der Phase des Aufbruches in die Fragmente zuzuordnen sind, nicht zu bestimmen. Die oben aufgeführten `Indizien' lassen keine quantitative Abschätzung zu; es ist in keinem Fall eine Separation in mehrere Komponenten, die sich in irgendeiner Art und Weise einer früheren oder späteren Phase oder einem äquilibrierten oder nicht äquilibrierten Anteil zuordnen liessen, festzustellen. Dies mag auch auf die zu geringe Genauigkeit der dynamischen Observablen in der vorliegenden Analyse zurückzuführen sein. Zum einen fehlen hier Messungen zu der Kinematik der Wasserstoffisotope bei 600 und 800 AMeV, zum anderen kann bei den Fragmenten die `Universalität' der mittleren kinetischen Energien nur mit einem grossen Fehler vermutet werden. Auf die Energiebilanz hat dies allerdings keinen grossen Einfluss.

Eine qualitative Abschätzung des `Nichtgleichgewichtsanteiles' ergibt sich hier lediglich aus dem Vergleich zwischen dem Zusammenhang von Anregungsenergie und Systemgrösse in den Daten einerseits und in der Beschreibung mit SMM andererseits. In Abbildung 75 ist der gemessene Zusammenhang dargestellt, wobei sich die Anregungsenergie aus der Energiebilanz und die Systemgrösse aus der Massenbilanz ergibt. Die Werte nach dem statistischen Modell folgen aus der oberen und unteren Anpassung der Ladungskorrelationen im Rahmen von SMM (s. Kapitel 7.2). Die Differenz zwischen der Beschreibung des Fragmentationsaufbruches mit SMM und dem gemessenen Zusammenhang kann als `Nichtgleichgewichtsanteil' interpretiert werden.

Es ergibt sich ein unbedeutender Anteil von Vorgleichgewichtsemissionen in den periphersten Reaktionen, der mit der Zentralität einerseits und der Einschussenergie andererseits monoton anwächst. In den zentralsten Ereignisklassen, bei der höchsten Einschussenergie, dominiert die Vorgleichgewichtsemission das System. Es sei hier aber betont, dass bei diesem Vergleich die Diskrepanz alleine auf die unterschiedliche Multiplizität und Kinematik der Neutronen und Wasserstoffisotope zurückzuführen ist, die in einem grossen Masse von sequentiellen Zerfällen schwererer Fragmente beeinflusst werden. Diese Teilchen lassen sich demnach am schwierigsten mit dem Modell beschreiben.

Gerade der Zerfall angeregter Zustände liefert aber auch ein weiteres Indiz dafür, dass die Dynamik der Reaktion nicht vernachlässigbar ist. Dies zeigt sich in den unterschiedlichen Temperaturen, die mit den verschiedenen Thermometern gemessen werden (s. Kapitel 6, [Frit 97, Serf 97]). Auch hier deutet sich an, dass eine Zeitabfolge in der Reaktion, zu der die verschiedenen Zustände `ausfrieren', zu berücksichtigen ist.

Für die Beschreibung im Rahmen eines statistischen Modelles kann die Massen- und Energiebilanz am Ende lediglich eine obere Abschätzung liefern. Bei Untersuchung von Spektatormaterie kann zwar ein wohldefiniertes Stück Kernmaterie produziert werden, dessen Eigenschaften in den grösseren Bruchstücken auf einen statistischen Zerfall hindeuten, die leichteren Bruchstücke lassen sich aber mit diesem Ansatz nicht beschreiben. Hier stösst man in ein Gebiet vor, das experimentell zwar gut zugänglich ist, das aber von der Theorie noch nicht in ausreichendem Masse erschlossen ist. Zur Zeit sind dynamische Modelle noch nicht in der Lage, die Fragmentation und die Eigenschaften der leichten Teilchen zu beschreiben. Die weitere Entwicklung der dynamischen Modelle wird zeigen, welche experimentellen Observablen bei dem Verständnis der Multifragmentation im Vordergrund zu stehen haben. Diese Arbeit kann dazu nur neue Fragestellungen eröffnen und keine Fragen endgültig beantworten.

Paper: Postscript 115 pages (24.0 Mb)
Figures: Abb. ?1?, ?2?, ?3?, ?4?, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, ?15?, 16, 17, ?18?, 19, 20, 21, 22, 23, ?24?, 25, 26, 27, 28, 29, ?30?, 31, ?32?, 33, 33(col), 34, 35, 36, 37, ?38?, ?39?, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 65a, 65b, 66, 67, 68, 69, 69a, 69b, 69c, 69d, 69e, 69f, 70, 71, 72, 73, 74, 75
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