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Das Quark-Gluon-Plasma Vortrag Vortrag von von Gordon Fischer Gordon Fischer.

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Präsentation zum Thema: "Das Quark-Gluon-Plasma Vortrag Vortrag von von Gordon Fischer Gordon Fischer."—  Präsentation transkript:

1 Das Quark-Gluon-Plasma Vortrag Vortrag von von Gordon Fischer Gordon Fischer

2 Inhalt 1.Die hadronische Materie 1.Die hadronische Materie 2.QED und QCD 2.QED und QCD 3.Bag- Modell und Stringmodell 3.Bag- Modell und Stringmodell 4.Thermodynamik des QGP 4.Thermodynamik des QGP 5.Gittereichtheorie 5.Gittereichtheorie 6.Signaturen des QGP 6.Signaturen des QGP

3 Hadronen sind nicht elementar! Sie bestehen aus Quarks u- (up)- Quark u- (up)- Quark d- (down) - Quark d- (down) - Quark s- (strange) - Quark s- (strange) - Quark c- (charm) - Quark c- (charm) - Quark b- (bottom) - Quark b- (bottom) - Quark t- (top )- Quark t- (top )- Quark - Haben Spin 1/2 - Baryonennummer1/3 - Elektrische Ladung 2/3e oder -1/3e - Außerdem gibt es noch die jeweiligen Antiquarks

4 Die Farbe: Tribut an das Pauli-Prinzip - Einige Hadronen aus identischen Quarks zusammengesetzt - Quarks in verschiedenen Zuständen –Farbe (rot, grün,blau) - Problem: der neue Freíheitsgrad Farbe ermöglicht auch unerwünschte Vervielfältigung bei anderen Hadronen - Lösung: Annahme, dass Quarks nur in Farbkombinationen vorkommen, die ein neutrales weiß ergeben Confinement Confinement

5 …und Gluonen -sind wie die Photonen masselose Vektorbosonen -haben den Spin 1 -sind die Quanten der Farbfelder -Kombination ergibt 8 Farbfelder und so mit 8 Gluonen -sind elektrischneutral, aber jedes trägt Farbe und Antifarbe

6 Das Innere des Nukleons - Valenzquarks stets im Nukleon vorhanden - Gluonen und Quark-Antiquark- Paare (See-Quarks) treten nur kurzzeitig auf nur kurzzeitig auf - Valenzquarks enthalten 40 Prozent des Nukleon-Impulses - 10 Prozent entfallen auf die Seequarks und der Rest auf die Gluonen die Gluonen

7 QED und QCD - QCD ist Eichtheorie der starken WW - SU (3)- Theorie - Nicht- abelsche Gruppe - Abstand steigt: wird größer - QED ist Feldtheorie der elektromagnetischen WW - U (1)- Theorie - Abelsche Gruppe - Abstand sinkt: wird größer

8 Effektive Ladung der QED Elektron von Wolke aus virtuellenTeilchen umgeben, die emittiert und wieder absorbiert werden. Elektron-Positron-Paare werden polarisiert -virtuelle Positronen angezogen -virtuelle Elektronen abgestoßen

9 Effektive Ladung der QCD - Wolke virtueller Teilchen mit eigener Ladung mit eigener Ladung - entferntes Quark spürt Farbladung der Quarks und Farbladung der Quarks und Gluonen Gluonen - Annäherung an Zentralquark- - Durchdringung der Gluonenwolke spürt nur noch Ladung des spürt nur noch Ladung des zentralen Quarks zentralen Quarks - Asymptotische Freiheit Quarks bei kleinen Abständen Quarks bei kleinen Abständen oder großen Impulsen wie oder großen Impulsen wie quasifreie Teilchen quasifreie Teilchen

10 (MIT)- Bagmodell - Blase im Vakuum, in der sich Quarks frei bewegen können - Blase im Vakuum, in der sich Quarks frei bewegen können - Beschreibung von - Beschreibung von Baryonen und Mesonen Baryonen und Mesonen - Confinement - Confinement - Asymptotische Freiheit - Asymptotische Freiheit - Bagkonstante B - Bagkonstante B

11 Es gibt zwei Arten von Vakuum Normales Vakuum mit =0 Confinement Perturbatives Vakuum =1 Asymptotische Freiheit

12 Stringmodell Auseinanderziehen der Quarks erzeugt Flußschlauch Flußschlauch Farbfelder eingeschränkt auf eine Dimension Farbfelder eingeschränkt auf eine Dimension Gummibandmodell Gummibandmodell

13 Deconfinement

14 Thermodynamik der QCD - Quarks und Gluonen als ultrarelativistische Fermi- bzw. Bosegase Bosegase - aber Annahme von reinem Ionengas unrealistisch - nur grobe Nährung, da Quarks auch im Plasma stark ww - wird aber Größenordnung des Druckes, der Energiedichte usw. im QGP liefern usw. im QGP liefern - Verhalten von QGP in Nähe des Phasenüberganges noch deutlich von einem idealen Gas entfernt deutlich von einem idealen Gas entfernt

15 Die QCD bei hohen Drücken und Temperaturen

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18 Gittereichtheorie Numerische Berechnung möglich Numerische Berechnung möglich Diskrete Punkte Diskrete Punkte Maschen immer enger machen Maschen immer enger machen Konvergenz gegen Kontinuum Konvergenz gegen Kontinuum Bei extrem feinen Gitter konnte Quarkeinschluss gezeigt werden Bei extrem feinen Gitter konnte Quarkeinschluss gezeigt werden Ordnung des Phasenüberganges unklar Ordnung des Phasenüberganges unklar

19 Phasenübergang erster Ordnung? Zugeführte Energie geht in Entropie (Erhöhung der Freiheitsgrade) über und nicht in Temperaturerhöhung Zugeführte Energie geht in Entropie (Erhöhung der Freiheitsgrade) über und nicht in Temperaturerhöhung

20 Phasendiagramm Erzeugung eines QGP -Urknall -Neutronenstern -ultrarelativistische Kernreaktionen

21 Theoretische Unsicherheiten: -Ablauf der Kern-Kern-Reaktion umstritten -Gitterrechnungen zu ungenau -Dauer des Phasenüberganges unklar -QGP von gewöhnlicher Kernmaterie umgeben so das Signaturen ausgewaschen werden können - man kann QGP nicht anhand eines einzigen Signals erkennen, erst eine Ansammlung von Daten deutet auf die Entdeckung des QGP hin.

22 Proton-Proton-Stöße - frontaler Zusammenstoss - mehrere Hadronen erzeugt - bilden Jet - auch Teilchen erzeugt, deren Flugrichtung nur deren Flugrichtung nur wenig von der Achse der wenig von der Achse der Protonen abweicht Protonen abweicht

23 Proton-Proton-Stöße - ob Hadronen einen Jet bilden, mit Impuls Jet bilden, mit Impuls überprüfbar überprüfbar - Gesamtimpuls ist von Bedeutung Bedeutung - Je größer der Impuls, desto weniger weicht seine desto weniger weicht seine Richtung von der Jetachse Richtung von der Jetachse ab ab

24 Kern-Kern-Stöße - Unterschied zwischen p-p und A-A Reaktion ist 1) Anzahl der beteiligten Teilchen 2) Reaktionsvolumen 3) Nukleonen im Kern haben zusätzliche Energie die max. der Fermi- Energie ist die max. der Fermi- Energie ist 4) Und sie können im Kern mehrere Stöße erleiden 5) Strukturfunktion der Partonen eine andere als in freien Nukleonen - die letzten drei sind nicht-thermische Effekte - die letzten drei sind nicht-thermische Effekte und müssen berücksichtigt werden. und müssen berücksichtigt werden.

25 Kern-Kern-Stöße Participant-Spectator-Modell

26 Nach dem Stoß

27 Modelle für Stopping - Anfangszustand mit den Rapiditäten der beiden Teilchen Rapiditäten der beiden Teilchen - Landau: Kerne werden voll- ständig abgestoppt ständig abgestoppt - Bjorken: Kerne durchdringen sich fast ohne Abbremsung sich fast ohne Abbremsung

28 Mögliches Raum-Zeit-Diagramm -Teilchen im thermischen Gleichgewicht Gleichgewicht - QGP bildet sich -Aussenden der einzelnen Hadronen Freeze out Hadronen Freeze out

29 Signaturen eines QGP

30 Produktion von Dileptonen Produktion von Dileptonen - Leptonen durchlaufen die Hadronisierungsphase fast un- - Leptonen durchlaufen die Hadronisierungsphase fast un- beeinflusst beeinflusst - Signale von Lepton-Antilepton-Paaren (Dileptonen) - Signale von Lepton-Antilepton-Paaren (Dileptonen) - Interesse an denen, die bei der Quark- Antiquark Streuung im QGP entstehen - Interesse an denen, die bei der Quark- Antiquark Streuung im QGP entstehen - Impulsverteilung und Produktionsrate kann Temperatur des QGP beschreiben. - Impulsverteilung und Produktionsrate kann Temperatur des QGP beschreiben. - aber auch Streuung von Valenzquarks an einem See- antiquark im Baryon kann Dileptonen erzeugen - aber auch Streuung von Valenzquarks an einem See- antiquark im Baryon kann Dileptonen erzeugen

31 Signaturen eines QGP Produktion direkter Photonen Produktion direkter Photonen - Photonen (reelle und virtuelle) nur von elektromagnetischer WW beeinflusst elektromagnetischer WW beeinflusst - Photonen stammen aus Quark- Antiquark- Vernichtung zu einem Photon und einem Gluon Vernichtung zu einem Photon und einem Gluon oder aus der Quark- Gluon Streuung (diese oder aus der Quark- Gluon Streuung (diese Prozesse gibt es in normaler hadronischer Materie Prozesse gibt es in normaler hadronischer Materie nicht) nicht) - Deswegen erhöhte Produktion von Photonen im QGP vermutet vermutet

32 Signaturen eines QGP Neueste Beweise Neueste Beweise - theoretische Analyse von Au+Au Stößen mit relativistischen Diffusionsmodell - Es werden viele neue Quarks und Gluonen erzeugt - Experiment widerspricht der theoretischen Vorhersage - lokales QGP im thermischen Gleichgewicht soll entstehen soll entstehen

33 Signaturen eines QGP - Resultate in Bezug auf die Anzahl der Nettoprotonen als Funktion der Rapidität - Verbreiterung durch Diffusion bei höherer Energie - Messpunkte deutlich über Erwartung - Bildung eines lokalen thermischen Gleichgewichts von 14% der Teilchen von 14% der Teilchen - Erreichbar durch kurzzeitiges Freisetzen der - Konstituenten, also Erhöhung der Freiheitsgrade

34 Impulsverteilungen

35 Verhältnis von Anzahl zur Relativgeschwindigkeit der Fragmente

36 Nettobaryonenrapidität für relativistisches Diffusionsmodell (links) und für zentrale Au+Au-Stöße (rechts)


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