Characterising the hot and dense fireball with virtual photons at HADES

Understanding the properties of strong interaction matter under extreme conditions of temperature and baryon density is a central objective of modern nuclear physics. While the phase structure of QCD at vanishing baryo-chemical potential is constrained by lattice QCD calculations and ultra-relativistic heavy-ion collision experiments at CERN and RHIC, its behaviour at higher net-baryon densities serves as an increasingly active area of experimental and theoretical study. In recent years, this interest is further driven by increasing efforts in the search for a potential first order deconfinement and chiral phase transition and QCD critical end point as well as by connections to astrophysical phenomena, such as neutron stars and neutron star mergers, which involve the equation-of-state in similar conditions.

In this setting, heavy-ion collisions at a few GeV per nucleon, as produced at the SIS18 accelerator at GSI, Darmstadt, provide essential baseline measurements for investigating the onset of critical phenomena and for benchmarking theoretical models in this baryon-rich regime. Electromagnetic probes, in particular virtual photons measured via their dilepton (e.g. electron-positron or muon-antimuon) decays, serve as unique and penetrating candidates for characterising QCD matter at highest temperature and density achieved in collisions, as they are emitted throughout the evolution of the system and traverse the medium with negligible final-state interactions.

This thesis exploits the sensitivity of dielectrons to investigate the properties and dynamics of the hot and dense fireball created in heavy-ion collisions via measurements with the High-Acceptance-Di-Electron-Spectrometer (HADES) at GSI. The main focus lies on Ag+Ag collisions at centre-of-mass energies per nucleon of 2.42 GeV and 2.55 GeV. An independent reconstruction of dielectron spectra at 2.55 GeV is performed, serving as a validation and finalisation of previous HADES measurements, while the analysis at 2.42 GeV represents a new analysis, enabling a more systematic comparison of dielectron production at two closely spaced energies. The complete analysis chain is carried out, including advances in particle identification, pair selection, background subtraction, and efficiency and acceptance corrections.

After subtracting contributions from freeze-out as well as sources produced in initial first chance collisions, the thermal dielectron yield is isolated and studied as a function of invariant mass and collision centrality. From the invariant-mass spectra, an average fireball temperature of T(Ag2.55Ag) = 82.2 ± 0.8 (stat) ± 2.9 (sys) MeV at 2.55 GeV and T(Ag2.42Ag) = 73.5 ± 1.8 (stat) ± 3.0 (sys) MeV at 2.42 GeV is extracted for 0-40% centrality. These results are interpreted in conjunction with the measured excess yields, which exhibit a non-linear scaling with the number of participating nucleons. In combination, this provides first insights into the interplay between temperature, volume, and lifetime of the (locally) thermalised fireball.

The second focus of this thesis is the development and application of a complete analysis framework for the extraction of dielectron azimuthal anisotropies. Motivated by recent theoretical predictions of the sensitivity of dileptons to the time evolution of collective dynamics, direct and elliptic flow coefficients v1 and v2 are reconstructed for Au+Au and Ag+Ag collisions at 2.42 GeV and 2.55 GeV. While all measurements are compatible within their statistical and systematic uncertainties, the highest-statistics data set at 2.55 GeV provides the most stringent constraint, indicating a reduced elliptic flow magnitude for thermal dielectron radiation compared to hadronic freeze-out sources. This observation is consistent with theoretical expectations that dileptons probe earlier stages of the collision, prior to the full build-up of collective flow, and demonstrates the feasibility and sensitivity of the analysis approach. Building on this, the framework developed in this thesis establishes the methodological foundation for future dielectron flow measurements at varying energies and for collision systems, not only in HADES, but future experiments such as, for example, the Compressed Baryonic Matter (CBM) experiment at FAIR.

In this context, a dedicated machine learning approach has also been developed to identify and suppress contamination from interactions with surrounding target material. The model demonstrates robust performance across all tested evaluation metrics and is successfully integrated into the data analysis, leading to a significant improvement in data quality of semi-central collisions.

The results presented in this thesis advance the quantitative characterisation of dielectron production and collective dynamics in heavy-ion collisions at high baryon density. They provide essential experimental benchmarks for theoretical descriptions of strong interaction matter in the region of the QCD phase diagram of high density and moderate temperatures.

Das Verständnis der Eigenschaften von Materie der starken Wechselwirkung unter extremen Bedingungen von Temperatur und Baryondichte ist ein zentrales Ziel der modernen Kernphysik. Während die Phasenstruktur der QCD bei verschwindendem baryonischen chemischen Potential durch QCD Gitterrechnungen und ultra-relativistische Kollisionsexperimente am CERN und RHIC eingeschränkt wird, stellt ihr Verhalten bei höheren Netto-Baryondichten ein ebenso aktives Gebiet experimenteller und theoretischer Forschung dar. In den letzten Jahren wurde dieses Interesse durch verstärkte Bemühungen bei der Suche nach einem möglichen Dekonfinement erster Ordnung und einem chiralen Phasenübergang sowie einem kritischen Endpunkt der QCD weiter vorangetrieben. Hinzu kommen Verbindungen zu astrophysikalischen Phänomenen wie Neutronensternen und Neutronensternverschmelzungen, bei denen die Zustandsgleichung unter ähnlichen Bedingungen eine Rolle spielt.

In diesem Umfeld liefern Schwerionenkollisionen mit einigen GeV pro Nukleon, wie sie am SIS18-Beschleuniger der GSI in Darmstadt erzeugt werden, wichtige Basismessungen für die Untersuchung des Einsetzens kritischer Phänomene und für den Vergleich theoretischer Modelle in diesem baryonenreichen Bereich. Elektromagnetische Sonden, insbesondere virtuelle Photonen, die über ihre Dileptonen-Zerfälle (z.B. elektron-positron oder muon-antimuon) gemessen werden, dienen als einzigartige und durchdringende Beobachtungskandidaten, da sie während der gesamten Entwicklung des Systems emittiert werden und das Medium mit vernachlässigbaren Endzustandswechselwirkungen durchlaufen.

Diese Arbeit nutzt die Sensitivität von Dielektronen, um die Eigenschaften und Dynamik der heißen und dichten Feuerballs, die in Schwerionenkollisionen erzeugt wird, mittels Messungen mit dem High-Acceptance-Di-Electron-Spectrometer (HADES) zu untersuchen. Der allgemeine Fokus liegt auf Ag+Ag-Kollisionen bei Schwerpunktsenergien per Nukleon von 2.42 GeV und 2.55 GeV. Eine unabhängige Rekonstruktion der Dielektronenspektren bei 2.55 GeV wird durchgeführt, um frühere HADES-Messungen zu validieren und abzuschließen, während die Analyse bei 2.42 GeV eine neue Auswertung darstellt, die einen systematischeren Vergleich der Dielektronenproduktion bei zwei eng beieinander liegenden Energien ermöglicht. Die vollständige Analaysekette wird durchgeführt, einschließlich Fortschritten in der Teilchenidentifikation, Paarselektion, Hintergrundsubtraktion sowie Effizienz- und Akzeptanzkorrekturen.

Nach Abzug der Beiträge aus dem Freeze-out sowie der Quellen, die bei den ersten Kollisionen entstanden sind, wird die thermische Dielektronenausbeute isoliert und als Funktion der invarianten Masse und Kollisionszentralität untersucht. Aus den invarianten Massenspektren wird eine durchschnittliche Feuerballtemperatur von T(Ag2.55Ag) = 82.2 ± 0.8 (stat) ± 2.9 (sys) MeV bei 2.55 GeV und T(Ag2.42Ag) = 73.5 ± 1.8 (stat) ± 3.0 (sys) MeV bei 2.42 GeV für 0–40% Zentralität extrahiert. Diese Ergebnisse werden im Zusammenhang mit den gemessenen Überschussausbeuten interpretiert, die eine nichtlineare Skalierung mit der Zahl der beteiligten Nukleonen aufweisen. In Kombination liefert dies erste Einblicke in das Zusammenspiel von Temperatur, Volumen und Lebensdauer der (lokal) thermalisierten Feuerballs.

Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung und Anwendung eines vollständigen Analyse-Frameworks zur Extraktion von dielektronischen Azimut-Anisotropien. Motiviert durch jüngste theoretische Vorhersagen zur Sensitivität von Dileptonen auf die zeitliche Entwicklung kollektiver Dynamik, werden direkte und elliptische Flusskoeffizienten v1 und v2 für Au+Au- und Ag+Ag-Kollisionen bei 2.42 GeV und 2.55 GeV rekonstruiert. Während alle Messungen innerhalb ihrer statistischen und systematischen Unsicherheiten kompatibel sind, liefert der Datensatz mit der höchsten Statistik bei 2.55 GeV die strengste Einschränkung und deutet auf eine reduzierte elliptische Flussstärke für thermische Dielektronenstrahlung im Vergleich zu hadronischen Freeze-out-Quellen hin. Diese Beobachtung ist konsistent mit theoretischen Erwartungen, dass Dileptonen frühere Stadien der Kollision abbilden, bevor der kollektive Fluss vollständig aufgebaut ist, und demonstriert die Machbarkeit und Sensitivität des Analyseansatzes. Auf dieser Grundlage schafft das in dieser Arbeit entwickelte Rahmenwerk die methodische Grundlage für zukünftige Dielektronenflussmessungen bei unterschiedlichen Energien und für Kollisionssysteme, nicht nur in HADES, sondern auch in zukünftigen Experimenten wie beispielsweise dem Compressed Baryonic Matter (CBM)-Experiment bei FAIR.

In diesem Zusammenhang wurde auch ein spezieller maschineller Lernansatz entwickelt, um Kontaminationen durch Wechselwirkungen mit dem umgebenden Zielmaterial zu identifizieren und zu unterdrücken. Das Modell zeigt eine robuste Leistung über alle getesteten Evaluationsmetriken und wird erfolgreich in die Datenanalyse integriert, was zu einer signifikanten Verbesserung der Datenqualität bei semi-zentralen Kollisionen führt.

Insgesamt tragen die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zur quantitativen Charakterisierung der Dielektronenproduktion und der kollektiven Dynamik in Schwerionenkollisionen bei hoher Baryondichte bei. Sie liefern wesentliche experimentelle Referenzpunkte für theoretische Beschreibungen der Materie der starken Wechselwirkung in dem Bereich des QCD-Phasendiagramms bei hoher Dichte und moderaten Temperaturen.