Das Quark-Gluon-Plasma Vortrag von Gordon Fischer

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

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

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

…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

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

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

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

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

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

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

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

Deconfinement

Thermodynamik der QCD Bosegase - Quarks und Gluonen als ultrarelativistische Fermi- bzw. 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 - Verhalten von QGP in Nähe des Phasenüberganges noch deutlich von einem idealen Gas entfernt

Die QCD bei hohen Drücken und Temperaturen

Die QCD bei hohen Drücken und Temperaturen

Die QCD bei hohen Drücken und Temperaturen

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

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

Phasendiagramm Erzeugung eines QGP -Urknall -Neutronenstern -ultrarelativistische Kernreaktionen

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.

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

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

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

Kern-Kern-Stöße Participant-Spectator-Modell

Nach dem Stoß

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

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

Signaturen eines QGP

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

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

Signaturen eines QGP 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

Verbreiterung durch Diffusion bei höherer Energie 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 Erreichbar durch kurzzeitiges Freisetzen der Konstituenten, also Erhöhung der Freiheitsgrade

Impulsverteilungen

Verhältnis von Anzahl zur Relativgeschwindigkeit der Fragmente

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