Kinetics of QCD phase transitions in effective models
Final Report Abstract
Das Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie unter extremen Bedingungen von Dichte, Druck und Temperatur stellt derzeit einen Forschungsgegenstand von höchstem Interesse dar. Zum einen befand sich die Materie in einem solchen Zustand für einige Mikrosekunden nach dem Urknall, worauf sich in einem Phasenübergang von partonischer Materie (Quark-Gluon-Plasma) die gewöhnliche hadronische Materie (aus Mesonen und Baryonen) gebildet hat. Zum anderen wird dieser Zustand der Materie für sehr kurze Zeiten von einigen fm/c (10^-23 Sekunden) in hochenergetischen Stößen von Atomkernen (relativistische Schwerionenstöße) in Beschleunigern wie dem Large Hadron Collider am CERN in Genf, dem Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory in Upton, New York und bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt sowie an den zukünftigen derzeit im Bau befindlichen Anlagen Facility for Ion and Antiproton Research (FAIR) in Darmstadt und der Nuclotron Based Ion-Collider Facility in Dubna erzeugt. Außerdem ist die Zustandsgleichung von neutronenreicher Kernmaterie für das Verständnis der Struktur von Neutronensternen notwendig. In diesem Projekt beschäftigen wir uns mit der Entwicklung von Methoden zur numerischen Beschreibung von Phasenübergängen von heißer dichter stark wechselwirkender Materie im Nichtgleichgewicht. Während im thermodynamischen Gleichgewicht bei kleinen Nettobaryonendichten (quantifiziert durch das baryochemische Potential) mit der Quantenchromodynamik, die grundlegende Theorie der starken Wechselwirkung, auf dem Gitter eine Ab-initio-Methode zur numerischen Berechnung der Zustandsgleichung zur Verfügung steht, ist man für größere Nettobaryonendichten und im Nichtgleichgewicht auf effektive Modelle angewiesen. Die Gitter-QCD ergibt, daß bei verschwindender Nettobaryonendichte die Materie bei einer Temperatur von ca. 150 MeV einen kontinuierlichen („Cross-Over-“) Übergang von durch Quarks und Gluonen konstituierter Materie zur hadronischen Materie (Deconfinement-Confinement-Übergang) aufweist. Desweiteren ist die starke Wechselwirkung so stark, daß sich bei kleinen Temperaturen und Dichten ein Quarkkondensat (¯qq) ≠ 0 ausbildet, das für die spontane Brechung der sog. chiralen Symmetrie sorgt. Bei der Deconfinement-Confinement-Übergangstemperatur verschwindet Gitter-QCD-Rechnungen zufolge auch dieses Quarkkondensat, und die chirale Symmetrie wird wieder hergesteht. Effektive auf der chiralen Symmetrie beruhende Modelle sagen vorher, daß bei höheren Nettobaryonendichten bzw. baryochemischen Potentialen der chirale Phasenübergang ein Übergang 1. Ordnung ist, d.h. das Quarkkondensat als Ordnungsparameter des Phasenübergangs springt an der Phasengrenzen. Dies läßt vermuten, daß die Linie im µßT-Phasendiagramm entlang dieses Phasenübergangs erster Ordnung in einem kritischen Punkt endet, wo ein Phasenübergang 2. Ordnung vorliegt, wo das Quarkkondensat sich beim Übergang kontinuierlich verändert. Es wird erwartet, daß sich die entsprechenden Zustände in Schwerionenstößen mit nicht zu hoher Stoßenergie erzeugen lassen. In diesem Projekt haben wir verschiedene Methoden zur Dynamik des chiralen Phasenübergangs heißer, dichter stark wechselwirkender Materie entwickelt, deren Ziel eine Beschreibung der bei einem Schwerionenstoß zu erwartenden Phänomene und Observablen ist, die den Phasenübergang 1. Ordnung bzw. sogar des kritischen Punktes im Phasendiagramm nachzuweisen und zu quantifizieren erlauben. Dazu wurden auf der Vielteilchenquantenfeldtheorie beruhende Transportmodehe und Algorithmen zu ihrer numerischen Simulation entwickelt. Ein aus der Gleichgewichtstheorie zu erwartendes Phänomen sind sog. großkanonische Schwankungen erhaltener Größen wie Nettobaryonenzahl oder elektrische Ladung in hinreichend großen Teilsystemen der im Schwerionenstoß erzeugten Materie. Dabei ist von besonderem Interesse, inwieweit sich solche charakteristischen Schwankungen, insbesondere mit nichttrivialen Korrelationen, die bei einem Übergang 2. Ordnung auftreten sollten, auch in den schnell expandierenden „Feuerbällen“ aus Schwerionenstößen beobachtbar sind. Erste Simulationen mit den von uns entwickelten Modellen zeigen, daß Winkelverteilungen der Baryonenzahlverteilungen kein qualitative Abhängigkeit von der Ordnung des chiralen Phasenübergangs aufweist, sondern lediglich die Größenordnung der Fluktuationen, die entsprechend der von diese Phasenübergänge bedingenden Kopplungsstärke der stark wechselwirkenden Teilchen skalieren.
Publications
- Kinetics of the chiral phase transition in a linear σ model; dedicated to memory of Walter Greiner
H. van Hees, C. Wesp, A. Meistrenko, C. Greiner
- A Monte Carlo framework for noncontinuous interactions between particles and classical elds, Phys. Rev. E 91, 043302 (2015)
C. Wesp, H. van Hees, A. Meistrenko, C. Greiner
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.043302) - Kinetic approach to a relativistic Bose-Einstein condensate, Phys. Rev. E 93, 032131 (2015)
A. Meistrenko, H. van Hees, K. Zhou, C. Greiner
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.93.032131) - Simulation of stationary Gaussian noise with regard to the Langevin equation with memory effects Phys. Rev. E 91, 032125 (2015)
J. Schmidt, A. Meistrenko, H. van Hees, Z. Xu, C. Greiner
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.91.032125)
