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Schwerionenphysik Ein Proseminar im Rahmen der Vorlesung „Experimentelle Methoden der Teilchenphysik“ Sören Götze ◊ 2005/02/05.

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1 Schwerionenphysik Ein Proseminar im Rahmen der Vorlesung „Experimentelle Methoden der Teilchenphysik“ Sören Götze ◊ 2005/02/05

2 Schwerionenphysik an der GSI
.:. Inhalt .:. Schwerionenphysik an der GSI Zahlen und Fakten Forschungsgebiete Quark Gluon Plasma Motivation Grundlagen Theorie bisherige Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Sören Götze ◊ 2005/02/05

3 GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt
Schwerionenphysik .:. Schwerionenphysik an der GSI .:. Zahlen und Fakten GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt Gründung 1969 in Darmstadt Nähe zur Universität Heidelberg, Universität Frankfurt a.M. Gesellschafter: Bundesrepublik Deutschland (90%), Hessen (10%) Mitglied in der Helmholtz-Gemeinschaft Budget: 70 Mio € pro Jahr 850 Mitarbeiter, davon 300 Wissenschaftler und Ingenieure Wissenschaftliche Zusammenarbeit: überwiegend auswärtige Wissenschaftler weltweite Kooperationen mit ca. 150 Instituten aus > 30 Länder Mission: Forschung mit schweren, beschleunigten Ionen Bau und Betrieb von Beschleunigeranlagen Sören Götze ◊ 2005/02/05

4 GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt
Schwerionenphysik .:. Schwerionenphysik an der GSI .:. Zahlen und Fakten GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt Sören Götze ◊ 2005/02/05

5 GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt
Schwerionenphysik .:. Schwerionenphysik an der GSI .:. Zahlen und Fakten GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt Linearbeschleuniger UNILAC Schwerionensynchrotron SIS Experimentierspeicherring ESR Fragmentseparator FRS Hochenergie-/Hochleistungs-Laser Phelix (im Aufbau) Medizinische Bestrahlungseinrichtung zur Krebstherapie Sören Götze ◊ 2005/02/05

6 GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt
Schwerionenphysik .:. Schwerionenphysik an der GSI .:. Zahlen und Fakten GSI Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt Sören Götze ◊ 2005/02/05

7 Schwerionenphysik Materialforschung
.:. Schwerionenphysik an der GSI .:. Forschungsgebiete Materialforschung Materialien gezielt verändern, mikroskopische Filter, Membranen Nanoholes, Nanodrähte, Fasern Biophysik, Strahlenschutz, Krebstherapie Neuartige Tumortherapie: hohe Energiedeposition an Bragg-Peak, Biol. Wirkung Kohlenstoffatome, großer Erfolg  Anlage Heidelberg Atomphysik Präzisionsmessungen/-tests der QED Plasmaphysik Hochdichte Plasmen, Beschuss von Folien mit Schwerionen Extreme Bedingungen (Sonneninnere)  PHELIX Kernphysik Exotische Elemente (6 neue chem. Elem.  Darmstadtium Ds110), Grenzen der Stabilität, Entstehung super-schwerer Elemente Spin und Masse von Protonen Quark-Gluon-Plasma und die Equation of State (EOS) Sören Götze ◊ 2005/02/05

8 Schwerionenphysik Kernmaterie ist komplexer Stoff!
.:. Quark Gluon Plasma .:. Motivation "Go for the messes - that's where the action is.” S. Weinberg, Nature 426 (2003), 389 "... at the same time, we have learned, however, that the structure of matter - from the atomic nucleus to the biological world - cannot be interpreted in terms of a simple linear superposition of the basic building blocks. Instead, it is governed by a great complexity that we need to understand." Prof. Dr. Walter F. Henning, scientific Director GSI Kernmaterie ist komplexer Stoff! In der Natur sind extreme Zustände realisiert, Theorien müssen auch diese korrekt beschreiben. Sören Götze ◊ 2005/02/05

9 Schwerionenphysik u d c s t b νe e- νμ μ- ντ τ- Standard-Modell Quarks
.:. Quark Gluon Plasma .:. Grundlagen Standard-Modell u d c s t b νe e- νμ μ- ντ τ- Quarks Spin ½  Fermionen Leptonen + Anti-Teilchen Hadronen: Mesonen (Quark, Anti-quark Paare) Baryonen (3 Quark Kombinationen) Wechselwirkungen durch Eichbosonen (Spin ganzzahlig) Photon elektromagn. WW W/Z- Bosonen schwache WW Gluonen starke WW (Gravitonen) Gravitation Kernkraft ist „Restkraft“ Sören Götze ◊ 2005/02/05

10 Schwerionenphysik Beschreibung der WW durch Potentiale: QED QCD
.:. Quark Gluon Plasma .:. Grundlagen Beschreibung der WW durch Potentiale: QED QCD q² sehr groß, kleine Abstände „asymptotische Freiheit“ „confinement“ q² klein, große Abstände Störungstheoretische Berechnungen alternative Methode: Gittereichtheorie, Lattice QCD Sören Götze ◊ 2005/02/05

11 Schwerionenphysik „a new state of matter“
.:. Quark Gluon Plasma .:. Theorie Lattice QCD macht Vorraussagen über Phasenübergang bei sehr hohen Temperaturen, bzw. sehr hoher Kompression „a new state of matter“ Sören Götze ◊ 2005/02/05

12 Schwerionenphysik Mögliches Phasendiagramm
.:. Quark Gluon Plasma .:. Theorie Mögliches Phasendiagramm Ordnung des Phasenübergangs unbekannt erster Ordnung: unstetige Änderung physikalischer Eigenschaften zweiter Ordnung: kontinuierlicher Übergang Sören Götze ◊ 2005/02/05

13 Schwerionenphysik .:. Quark Gluon Plasma .:. Theorie um experimentell einen Phasenübergang zum QGP zu erzeugen:  ultrarelativistische Schwerionenreaktionen Gold auf Gold: 1GeV/Nukleon, 90% Lichtgeschwindigkeit zentraler Stoß: 2,5fache Verdichtung, T ≈ 80MeV „spectators“ „participants“ Nukleus z.B. Au „fireball“ Phasen der Stoßreaktion: „Hit“, erste harte Stöße starke Verdichtung und Aufheizung Bildung des Quark Gluon Plasmas Gleichgewichtszustand / Thermalisation Abkühlen und Verdünnen des Plasmas Gemischte Phase / Hadronisation „Ausfrieren“ der Endzustände Sören Götze ◊ 2005/02/05

14 Schwerionenphysik Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas
.:. Quark Gluon Plasma .:. Theorie Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas signifikante, experimentell zugängliche Signale zu finden ist schwer! viele benannte Signale können auch durch andere Modelle erklärt werden! Nachweis nur durch Kombination mehrer Signaturen! erhöhte Strangeness Produktion andere Produktionsbedingungen für s-Quarks im QGP a) im Haddronengas (assoziierte Produktion): p + n  Λ0 + K+ + n E ~ 700 MeV b) im QGP: thermische Produktion (doppelte Ruhemasse) E ~ 300 MeV Experiment: K+/π+ - Verhältnis gegenüber pp-Reaktionen Sören Götze ◊ 2005/02/05

15 Schwerionenphysik Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas
.:. Quark Gluon Plasma .:. Theorie Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas J/ψ Unterdrückung Produktion von Charmonium in früher Phase „Lösen“ des gebundenen Zustands im QGP höhere Temperaturen  weniger Charmonium Experiment: Nachweis über cc-Annihilation  Lepton-Paare Untergrund: Drell-Yan-Prozess Sören Götze ◊ 2005/02/05

16 Schwerionenphysik Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas
.:. Quark Gluon Plasma .:. Theorie Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas Produktion von Dileptonen rein elektromagnetisches Signal Leptonen/Photonen größere freie Weglänge, können Plasma verlassen Produktionsrate & Impulsverteilung Impulsverteilung Quarks & Antiquarks Thermodynamische Eigenschaften des Plasmas (Temperatur, Thermalisierungszeiten) Untergrund: Drell-Yan-Lepton-Paare (Valenzquark + Seequark Annihilation), Hadron-Antihadron-Reaktion (π + π) Zerfall von Resonanzen (ρ, ω, Φ) Sören Götze ◊ 2005/02/05

17 Schwerionenphysik Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas
.:. Quark Gluon Plasma .:. Theorie Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas Produktion direkter Photonen weiteres elektromagnetisches Signal dominierenden Prozesse: Quark-Antiquark-Vernichtung: Quark-Gluon-Comptonstreuung: Experiment: Transversalimpulsverteilung der Photonen  Temperatur des QGP Großer Untergrund: - harte Stöße (vor Plasma): Quarks, Gluonen  harte direkte Photonen (ab pt > 4 GeV/c) - Hadronengas: - Hadronisierungsphase: Zerfall neutraler Mesonen (π0, η) Sören Götze ◊ 2005/02/05

18 Schwerionenphysik Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas
.:. Quark Gluon Plasma .:. Theorie Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas Bildung des disorientierten chiralen Kondensats Jet quenching, collective flow „event by event“ fluctuations Hadronen Multiplizität (statistisches Modell) Experimente sind oft „speziell“ für bestimmte Signaturen konzipiert Bisher keine „eindeutige“ Veröffentlichung „Viele Indizien für die Bildung eines QGP“ Sören Götze ◊ 2005/02/05

19 Schwerionenphysik x2 NA49 @ CERN 23. November 1999
.:. Quark Gluon Plasma .:. bisherige Ergebnisse x2 CERN 23. November 1999 „Evidence for strangeness enhancement in nucleus-nucleus collisions“ 75% der strange/antistrange Quarks sind im Endzustand in Kaonen  gute Messgröße für Strangeness-Erhöhung Phi-Meson (ss): stärkere Überhöhung. Eigentlich strange-neutral  Strangeness-Erhöhung auf Quark-level Sören Götze ◊ 2005/02/05

20 Schwerionenphysik .:. Quark Gluon Plasma .:. bisherige Ergebnisse Elab/A Anton GSI Darmstadt „Nuclear Matter Script“ Simulationen verfehlen die experimentellen Daten Schwerionenexperimente aber konsistent Berechnungen nach E. Bratkovskaya et al., nucl-th/ Sören Götze ◊ 2005/02/05

21 Schwerionenphysik Vorhersagen inelastische pp-Streuung
.:. Quark Gluon Plasma .:. bisherige Ergebnisse Vorhersagen inelastische pp-Streuung Experiment CERN NA50, Nucl. Phys. A698(2002) 127 Einzigartiges Messergebnis für J/Psi- Unterdrückung RHIC zur Zeit genauere Messungen In Zukunft: LHC (2007 FAIR (2012) Sören Götze ◊ 2005/02/05

22 Schwerionenphysik The little „Big Bang“ Harte Stöße Verdichtung
.:. Quark Gluon Plasma .:. Zusammenfassung The little „Big Bang“ Harte Stöße Verdichtung 0 < τ < 1 fm/c Expansion Thermalisierung 1 fm/c < τ < 15 fm/c „Paarbildung“ / Hadronisierung „freeze out“ „Pionenwind“ τ > fm/c Nach U. Heinz, hep-ph/ 1 fm/c = 3x 10-24s Sören Götze ◊ 2005/02/05

23 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Schwerionenphysik Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Sören Götze ◊ 2005/02/05

24 Schwerionenphysik .:. Quark Gluon Plasma .:. Quellen
Gesellschaft für Schwerionenforschung, Anton Andronic, GSI Darmstadt, „Nuclear Matter“ A. Andronic and P. Braun-Munzinger, Gesellschaft für Schwerionenforschung, Darmstadt, Germany „Ultrarelativistic nucleus-nucleus collisions and the quark-gluon plasma“ Johanna Stachel, Uni Heidelberg, "Towards the Quark-Gluon-Plasma Saskia Mioduszewski, Brookhaven National Laboratory, "Relativistic Heavy Ion Physics: An Experimental Review“ PHENIX website, STAR website, CERN website, RHIC website, FOPI website, Sören Götze ◊ 2005/02/05

25 Schwerionenphysik Bevalac @ LBL, Berkeley (1980-1990)
.:. Quark Gluon Plasma .:. Übersicht Experimente LBL, Berkeley ( ) Schwerpunktsenergie 2,4GeV, Energie pro Nukleon 1.15GeV/A BNL, Brookhaven ( ) Schwerpunktsenergie 4.8GeV, Energie pro Nukleon 10.5GeV/A CERN, Genf ( ) Schwerpunktsenergie 17.3 GeV, Energie pro Nukleon 157GeV/A GSI Darmstadt Schwerpunktsenergie 2.5 GeV, Energie pro Nukleon 1.5GeV/A BNL, Brookhaven Schwerpunktsenergie 200GeV, Energie pro Nukleon 100GeV/A CERN, Genf (2007) Schwerpunktsenergie 5500 GeV, Energie pro Nukleon 2750GeV/A GSI, Darmstadt (2012) Schwerpunktsenergie 8.3GeV, Energie pro Nukleon 35GeV/A Sören Götze ◊ 2005/02/05


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