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Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik Ein Proseminar im Rahmen der VorlesungExperimentelle Methoden der Teilchenphysik.

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1 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik Ein Proseminar im Rahmen der VorlesungExperimentelle Methoden der Teilchenphysik

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

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

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

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

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

7 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. Schwerionenphysik an der GSI.:. Forschungsgebiete Materialforschung Biophysik, Strahlenschutz, Krebstherapie Atomphysik Plasmaphysik Kernphysik Materialien gezielt verändern, mikroskopische Filter, Membranen Nanoholes, Nanodrähte, Fasern Neuartige Tumortherapie: hohe Energiedeposition an Bragg-Peak, Biol. Wirkung Kohlenstoffatome, großer Erfolg Anlage Heidelberg Präzisionsmessungen/-tests der QED Hochdichte Plasmen, Beschuss von Folien mit Schwerionen Extreme Bedingungen (Sonneninnere) PHELIX Exotische Elemente (6 neue chem. Elem. Darmstadtium Ds 110 ), Grenzen der Stabilität, Entstehung super-schwerer Elemente Spin und Masse von Protonen Quark-Gluon-Plasma und die Equation of State (EOS)

8 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. 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.

9 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma.:. Grundlagen Standard-Modell udud cscs tbtb νee-νee- νμμ-νμμ- νττ-νττ- Quarks Leptonen Spin ½ Fermionen + Anti-Teilchen Wechselwirkungen durch Eichbosonen (Spin ganzzahlig) Photonelektromagn. WW W/Z- Bosonenschwache WW Gluonenstarke WW (Gravitonen)Gravitation Hadronen: Mesonen (Quark, Anti-quark Paare) Baryonen (3 Quark Kombinationen) Kernkraft ist Restkraft

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

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

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

13 Sören Götze 2005/02/05 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 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 spectatorsparticipants Nukleus z.B. Au fireball

14 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. 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 Λ 0 + K + + nE ~ 700 MeV b) im QGP: thermische Produktion (doppelte Ruhemasse) E ~ 300 MeV Experiment: K + / π + - Verhältnis gegenüber pp-Reaktionen

15 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. 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

16 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. 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)

17 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. 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 p t > 4 GeV/c) - Hadronengas: - Hadronisierungsphase: Zerfall neutraler Mesonen (π 0, η)

18 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. 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

19 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma.:. bisherige Ergebnisse CERN23. 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 x2

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

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

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

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

24 Sören Götze 2005/02/05 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,

25 Sören Götze 2005/02/05 Schwerionenphysik.:. 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


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