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Thesis (PhD (Physics))--University of Stelllenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: In this dissertation a fully relativistic model for polarized inclusive quasielastic proton-nucleus scattering is developed. Using a standard relativistic impulse approximation (RIA) treatment of quasielastic scattering and a two-body SPVAT form of the current operator, it is shown how the behaviour of projectile and target can be decoupled. Subsequently, different models for projectile and target can be adopted and combined to examine a variety of relativistic effects. The most simplistic model of the target is provided by a mean-field nuclear matter approximation to the relativistic meson-nucleon model, quantum hadrodynamics (QHD). Here relativistic effects manifest as an effective mass, which is lower than the free mass, of the constituent nucleons. This model is improved upon by including many-body correlations through medium-modification of meson propagators in the relativistic random-phase approximation (RPA). Since it is generally accepted that the strong nuclear force and the extended range of the nuclear potential lead to distortion effects on the projectile and ejectile (seen as a modulation of the wave functions), our formalism is geared towards the use of relativistic distorted waves (RDWIA). The distorted waves are written as partial wave expansions and are solutions to the Dirac equation with potentials. The inclusion of distortions, however, greatly increases the computational burden and we show how a number of analytical and numerical techniques can be used to facilitate the process of calculation. It is also shown how the standard relativistic plane wave treatment (RPWIA) can, instead, be easily employed to obtain a baseline for determining the impact of distortions. A calculation is performed for the reaction 40Ca(!p, !p !) at a beam energy of 500 MeV. Here it is found that the effect of correlations on the RPWIA calculation can be seen as a quenching of the cross section that is expected to become more pronounced at lower energies or for higher density targets. A RDWIA calculation shows additional reduction and if target correlations are included this effect is enhanced. To our knowledge this is the first calculation that attempts to include both these effects (RPA and RDWIA) in the context of quasielastic proton-nucleus scattering. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie proefskrif word ’n ten volle relatiwistiese model vir die berekening van inklusiewe kwasielastiese proton-kern verstrooiing daargestel. Deur gebruik te maak van ’n standaard relatiwistiese impulsbenadering (RIA) vir kwasi-elastiese verstrooiing asook ’n twee-deeltjie-SPVAT-vorm vir die stroom-operator, word daar gewys hoedat die gedrag van die projektiel en teiken ontkoppel kan word. Verskillende modelle kan dus vir die projektiel en teiken gebruik word om ’n verskeidenheid relatiwistiese effekte te bestudeer. Die mees simplistiese model vir die teiken word verskaf deur ’n gemiddelde-veld kernmateriaalbenadering tot die relatiwistiese meson-nukleon-model, kwantum-hadrodinamika (QHD). In hierdie model manifesteer relatiwistiese effekte as ’n effektiewe massa, wat kleiner is as die vrye massa, van nukleone in die kern. Hierdie model word verbeter deur die inagneming van veeldeeltjie korrelasies deur medium-gewysigde meson-propagators in die relatiwistiese ewekansige-fase-benadering (RPA). Aangesien dit algemeen aanvaar word dat die sterk-wisselwerking en die reikwydte van die kernpotensiaal aanleiding gee tot vervormingseffekte op die projektiel en ejektiel (gesien as die modulasie van golffunksies), is ons model optimaal geformuleer om gebruik te maak van relatiwistiese vervormde golwe (RDWIA). Die vervormde golwe word geskryf as parsi¨elegolf uitbreidings en dien as oplossings vir die Dirac-vergelyking met potensiale. Insluiting van vervormings vermeerder egter die berekeningslas geweldig en ons toon hoedat ’n aantal analitiese en numeriese tegnieke gebruik kan word om die proses te vergemaklik. Daar word ook aangetoon hoe die standaard- relatiwistiese-vlakgolf-benadering (RPWIA), in plaas van vevormde golwe, maklik gebruik kan word om ’n verwysingspunt vir die meting van die effek van vervormings te bepaal. ’n Berekening vir die reaksie 40Ca(!p, !p !) teen ’n projektiel-energie van 500 MeV word getoon. Hier word dit gevind dat die effek van korrelasies op die RPWIA-berekening gesien kan word as ’n verlaging van die kansvlak. Daar word verwag dat hierdie effek duideliker sal word by laer energie¨e en ho¨er kerndigthede. ’n RDWIA-berekening word getoon wat daarop dui dat addisionele verlaging in die kansvlak voorkom en indien korrelasies hier ingesluit word, word hierdie effek vergroot. Sover ons kennis strek, is hierdie die eerste berekening wat poog om beide hierdie effekte (RPA en RDWIA) in die konteks van kwasi-elastiese proton-kern verstrooiing in te sluit.

Am Schwerionensynchrotron der GSI Darmstadt wurde die Produktion von K- und pi-Mesonen in Proton-Kern-Kollisionen ("pA") experimentell untersucht. Verschiedene Targetkerne (C, Au), Strahlenergien (1.6, 2.5, 3.5 GeV) und Beobachtungswinkel (32°-64°) ergaben eine reichhaltige Systematik und gestatteten Extrapolationen auf totale Wirkungsquerschnitte. In der Arbeit werden Vergleiche der einzelnen Messungen miteinander und mit pA-Messungen anderer Gruppen angestellt und diskutiert. Die Einordnung zwischen pp- und AA-Daten und der Vergleich mit theoretischen Vorhersagen ermöglicht grundlegende Aussagen über das Verhalten von K-Mesonen in Kernmaterie, sogenannte Medium-Effekte.

L’expérience ALICE au CERN examine l’état de la matière QCD chaude et dense créée lors de collisions d’ions lourds ultra-relativistes - le plasma de Quark Gluon (QGP). En raison de sa courte durée de vie, le QGP ne peut être étudié que via ses signatures.La suppression de J/ψ a été proposée comme preuve de la formation du milieu déconfiné.Néanmoins, il est devenu évident que la réalité est bien plus complexe, car il existe d’autres mécanismes concurrents qui affectent la production de J/ψ . Pour comprendre quels effets agissant sur la production de J/ψ dans les collisions noyau-noyau résultent véritablement de la présence du QGP, ALICE étudie également la production de J/ψ en collisions pp et p–Pb. Le QGP ne devrait pas se former dans ces systèmes. De plus, les mesures de la production de J/ψ dans les collisions p–Pb peuvent révéler des informations sur les effets provenant de la liaison des nucléons dans le noyau, appelés effets de la matière nucléaire froide (CNM). L’objectif de cette thèse est d’étudier la production de J/ψ à rapidité vers l’avant avec le spectromètre à muons ALICE. La section efficace de production J/ψ inclusive dans les collisions pp à √s = 5.02 TeV,et sa dépendance en pT et en rapidité, ont été examinées et comparées à des calculs théoriques ainsi qu’ à des mesures à d’autres énergies du LHC. Les données sont bien décrites par la somme des calculs de pQCD pour les J/ψ prompts et de FONLL pour les J/ψ non-prompts. La production différentielle en multiplicité des J/ψ a été étudiée dans les collisions p–Pb et Pb–p à √sNN = 8,16 TeV, ainsi que le moment transvers moyen. La mesure montre un comportement dépendant de la rapidité pour les taux de production relatifs des J/ψ . Le moment transvers moyen des J/ψ est par contre identique dans les deux intervalles de rapidité mesurés. La nouvelle analyse a augmenté la précision et étendu la mesure à des multiplicités plus élevées par rapport à la mesure précédente à √sNN = 5,02 TeV. Nous constatons que les taux de production relatifs et le <pti> relatif sont indépendants de l’énergie du centre de masse. / The ALICE experiment at CERN probesthe state of hot and dense QCD matter created in ultrarelativisticheavy ion collisions - the Quark GluonPlasma (QGP). Due to its short lifetime, the QGP canbe studied only via its signatures. The suppression ofJ/ ψ was proposed as a proof of formation of the deconfinedmedium. Nevertheless, it became clear thatthe real picture is far more complex as there are othercompeting mechanisms affecting the J/ ψ production.To understand which effects acting on the J/ productionin nucleus-nucleus collisions truly stem fromthe presence of the QGP, ALICE also studies the productionof J/ψ in pp and p–Pb collisions. The QGP isexpected not to form in these systems. Furthermore,measurements of the J/ ψ production in p–Pb collisionscan unveil information on the effects originatingfrom the binding of the nucleons in the nucleus, referredto as the cold nuclear matter effects (CNM).The objective of this thesis is to study the productionof J/ ψ at forward rapidity with the ALICE Muon Spectrometer.The inclusive J/ ψ production cross sectionin pp collisions at √s = 5.02 TeV, and its dependenceon pT and rapidity, were examined and compared withtheoretical calculations as well as measurement atother LHC energies. The data are well described bya sum of pQCD calculations for prompt and FONLLcalculations for non-prompt contribution. The multiplicitydifferential J/ ψ production was studied in p–Pband Pb–p collisions at √sNN = 8.16 TeV, as well asits mean transverse momentum. The measurementshows a rapidity dependent behaviour of relative J/ ψ yields. The J/ ψ mean transverse momentum on theother hand is identical in the two measured rapidityintervals. The new analysis increased the precisionand extended the measurement to higher multiplicitiescompared to previous measurement at √sNN =5.02 TeV. We find that both relative yields and relative<pti> are independent of centre-of-mass energy.

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Am Schwerionensynchrotron der GSI Darmstadt wurde die Produktion von K- und pi-Mesonen in Proton-Kern-Kollisionen (&amp;quot;pA&amp;quot;) experimentell untersucht. Verschiedene Targetkerne (C, Au), Strahlenergien (1.6, 2.5, 3.5 GeV) und Beobachtungswinkel (32°-64°) ergaben eine reichhaltige Systematik und gestatteten Extrapolationen auf totale Wirkungsquerschnitte. In der Arbeit werden Vergleiche der einzelnen Messungen miteinander und mit pA-Messungen anderer Gruppen angestellt und diskutiert. Die Einordnung zwischen pp- und AA-Daten und der Vergleich mit theoretischen Vorhersagen ermöglicht grundlegende Aussagen über das Verhalten von K-Mesonen in Kernmaterie, sogenannte Medium-Effekte.