Das QCD-Phasendiagramm

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1 Das QCD-Phasendiagramm Seminar: Schlüsselexperimente der Teilchenphysik Betreuer: Prof. J. Stachel Dr. Y. Pachmayer 1

2 Inhalt Einleitung Grundlagen und Theorie Experimentelle Methoden Resultate Zusammenfassung Literatur QCD-Phasendiagramm 2

3 Klassisches Phasendiagramm Phasendiagramm: Wasser Bereiche in denen verschiedene Aggregatzustände vorliegen Phasenübergänge: überschreiten einer Phasengrenze Ausgezeichnete Punkte: Tripelpunkt und Kritischer Punkt Vorlesung/Images/41-Zustandsdiagr-h2o.gif QCD-Phasendiagramm 3

4 QCD-Phasendiagramm QCD: Quantenchromodynamik Theorie der starken Wechselwirkung 4

5 QCD-Phasendiagramm ρ Neutronenstern 12 ~ 10 kg / cm 3 Physik Journal 5 (2006) Nr. 10. Braun- Munzinger & Wambach. Extreme Materie 5

6 QCD-Phasendiagramm Elementarteilchenphysik/universum-e.jpg 6

7 QCD-Phasendiagramm Rückschlüsse auf die Anfänge des Universums Überprüfung der QCD 7

8 Starke Wechselwirkung QCD (Nambu 1966) Theorie der starken Wechselwirkung; d.h. der Farbladung Wechselwirkung durch Austausch von Gluonen Besonderheit der QCD: Quarks und Gluonen tragen Farbe Yagi, K., Hatsuda, T., Miake, Y. Quark-Gluon Plasma Asymptotische Freiheit Quark-Gluon Plasma 8

9 Quark-Gluon Plasma Suppe von ungebundenen Quarks, Antiquarks und Gluonen Wie können wir ein Quark-Gluon Plasma erzeugen? 9

10 Bag-Modell berücksichtigt Confinement und asymptotische Freiheit nicht-perturbatives QCD-Vakuum Bag perturbatives Vakuum AndBagModels.ppt Randbedingung: Quarks sind in Tasche eingesperrt Hadronen = Taschen konstanter Energiedichte (Λ B4 ) im nicht-perturbativen QCD-Vakuum Bag-Konstante: Λ B ~200MeV 10

11 Kritische Temperatur π + u g d π 0 π Pion-Gas Phasengrenze u g d QGP g d 2 π P 3 T 90 π = 4 2 π P g = 2 8 T 90 7 π 2 T P q 2 3, q =

12 Kritische Temperatur Pion-Gas und QGP im Gleichgewicht Pion-Gas nicht-perturbatives Vakuum QGP Perturbatives Vakuum Λ B 4 P QGP P π de = + P 4πR dr P 4πR dr + Λ 4πR dr π QGP B = 0 12

13 Kritische Temperatur Gleichgewichtsbedingung: P π = P q + P Λ 4, q g B π Tc = π T c Λ 4 B T = 144MeV c 13

14 Kritische Temperatur Gitter-QCD liefert bessere Möglichkeit für die Bestimmung von T c T = 173MeV c Letessier, J., Rafelski, J. Hadrons and quark-gluon plasma 14

15 Kritische Energiedichte Abschätzung der kritischen Energiedichte mittels Gitter-QCD ε c = MeV 700 fm 3 arxiv.org/abs/nucl-th/ v1 15

16 Möglichkeiten ein QGP im Labor zu erzeugen Colliderexperimente mit ultrarelativistischen schweren Ionen möglichst zentrale Stösse Physik Journal 1 (2002) Nr. 11. Eckardt et al. Schwerionenphysik am RHIC ultra-relativistisch heisst: s NN > GeV / Nukleon Können wir QGP erwarten? Energiedichte? 16

17 Energiedichte bei Colliderexperimenten Δ E Δz A Pseudorapidität: η = ln Energiedichte im Zylinder der Länge dz: ε = ΔE AΔz Zylinder Zylinder 1 2 z = 0 cτ z cτ + z ( tan( ϑ / 2) ) = ln ΔE Zylinder = η de d Δη = de d dη Δz = de d Zylinder Zylinder η dz z= η cτ η = 0 η = 0 0 η = 0 1 Δz Zylinder ε ( τ ) = 1 cτa Bjorken-Formel de dη η = 0 wegen: η de d de = dη η = 0 η =0 QCD-Phasendiagramm 17

18 Collider Start Beschleuniger Schwerpunktsenergie s NN 1992 AGS (BNL) 1994 SPS (CERN) 2000 RHIC (BNL) 2010 LHC (CERN) Kritische Energiedichte:ε c = Beam Energiedichte 5 GeV Au 1.25 GeV/fm 3 17 GeV Pb 2.6 GeV/fm GeV Au 4.3 GeV/fm TeV Pb GeV/fm 3 700MeV / fm Theoretisch vorhergesagte Bedingung an die Energiedichte um QGP zu erzeugen ist erfüllt! 18 3 ε

19 Ultra-relativistische Schwerionen-Kollision Ausdehnung und Abkühlung Kern-Kern-Kollision Feuerball QGP Hadronengas Inelastische Streuung Bildung des Feuerballs Phasenübergang Hadronisierung Zeit Thermisches Freeze-Out therm. und chem. Gleichgewicht Chemisches Freeze-Out QCD-Phasendiagramm 19

20 Charakteristische Temperaturen Kritische Temperatur: Phasengrenze zwischen QGP und HG Chemische Ausfriertemperatur: keine inelastischen Stösse mehr => Hadronische Zusammensetzung steht fest Thermische Ausfriertemperatur: keine elastischen Stösse mehr (Hadronen entkoppeln) => Impulsverteilung steht fest QCD-Phasendiagramm 20

21 Detektor Gold-Gold-Kollision am RHIC bei: s NN = 200 GeV Nukleon Bestimmung von Teilchenhäufigkeiten 21

22 Zählratenbestimmung Ω-Rekonstruktion Ω (sss) m=1.672 GeV/c 2 cτ=2.46 cm (Zerfallslänge) Λ (uds) m=1.116 GeV/c 2 cτ=7.79 cm (Zerfallslänge) Ω Λ + Κ ~ 67.8% Λ p + π ~ 63.9% 22

23 Messung am NA49 (SPS), Pb+Pb-Kollision Bestimmung der invarianten Masse C. Alt et al., Phys.Rev.Lett. 94 (2005)

24 Messung am NA49 (SPS), Pb+Pb-Kollision Rapidität: y = 1 2 E ln E + p p Gesamtteilchenzahl C. Alt et al., Phys.Rev.Lett. 94 (2005) A GeV Ω - +Ω A GeV Ω A GeV Ω + N 0.14±0.03± ±0.09± ±0.04±

25 Statistisches Modell Wähle zur Beschreibung: Grosskanonisches Ensemble (Teilchenanzahl Sorte i nicht erhalten) Grosskanonische Zustandssumme Teilchensorte i (Wechselwirkung zwischen den Teilchensorten werden vernachlässigt) Z GK i ( T, V, v ) μ = Ni = μbbi + μi I3i Tr[ e S β v v μ + μ S + μ C 3 i r r ( H μni C i ) ] 25

26 Statistisches Modell Bose-Einstein (-) bzw. Fermi-Dirac Verteilung (+) n i = 2 gi dpp v v 2 ( ε i ( p) μni ) / T 2π 0 e ± 1 Energie: ε 2 2 i = p + m i Spinentartungsfaktor (Spin-S i -Teilchen ): g i 2 S + 1 = i 26

27 Statistisches Modell Erhaltungssätze V nibi = N i B i : Baryonenzahl, Teilchensorte i V n S i i = 0 i S i : Strangeness, Teilchensorte i B nii 3 = i tot V I3 i I 3 i : Isospin, Teilchensorte i V n C i i = 0 i C i : Charm, Teilchensorte i Unter Verwendung dieser Gleichungen können wir n i als Funktion von T und μ B schreiben. 27

28 Teilchenhäufigkeiten Minimiere: 2 χ = i exp ( R i R i 2 σ i theo ) 2 μ B und T Messung am RHIC: Gold-Gold-Kollision bei einer Schwerpunktsenergie von s NN = 130GeV A. Andronic et al. / Nuclear Physics A 772 (2006)

29 T( s NN ), μ B ( s NN ) und Phasendiagramm Braun-Munzinger, Stachel. The quest for the quark-gluon plasma. Nature 448 (2007) 19 29

30 Zusammenfassung Theoretisch erwartet man Quark-Gluon Plasma aufgrund des speziellen Verlaufs der starken Kopplungskonstante Experimente am AGS, SPS und RHIC werden gut durch das statistische Modell beschrieben Es gibt weitere Signaturen des QGP, die ausnutzen, dass das QGP als ein sehr dichtes Medium angenommen wird: Häufigkeit J/ψ Jet-Quenching 30

31 Zusammenfassung LHC (z.b. ALICE) soll endgültige Sicherheit bringen, ob das QGP existiert. Es sollen dort weiterhin die Eigenschaften des QGP untersucht werden und die Phasengrenze genauer bestimmt werden Man strebt an, dass Verhalten von stark wechselwirkender Materie für hohe μ B zu untersuchen (CBM; FAIR in Darmstadt) Man strebt an, Signaturen des Phasenübergangs im Universum nachzuweisen 31

32 Literatur Yagi, K., Hatsuda, T. and Miake, Y. Quark Gluon Plasma Letessier, J. and Rafelski, J. Hadrons and quark gluon plasma Braun Munzinger, P., Stachel, J. The quest for the quark gluon plasma. Nature Vol 448 Issue no July 2007 Andronic, A., Braun Munzinger, P. and Stachel, J. Hadron production in central nucleus nucleus collisions at chemical freeze out. Nucl. Phys. A 772 (2006) Becattini, B., Gadzicki, M., Keranen, A., Manninen, J. and Stock, R. Chemical equilibrium study in nucleus nucleus collisions at relativistic energies. Phys. Rev. C 69, (2004) Braun Munzinger, P., Redlich, K. and Stachel, J. in Quark Gluon Plasma 3 (eds Hwa, R. C. & Wang, X. N.), (World Scientific, Singapore, 2004). Braun Munzinger, P. and Stachel, J. Probing the phase boundary between hadronic matter and the quark gluon plasma in relativistic heavy ion collisions. Nucl. Phys. A 606, (1996) Braun Munzinger, P., Stachel, J. and Wetterich, C. Chemical freeze out and the QCD phase transition temperature. Phys. Lett. B. 596, (2004). Eckardt, V., Schmitz, N. und Seyboth, P. Schwerionenphysik am RHIC. Physik Journal 1 (2002) Nr Braun Munzinger, P., Wambach, J. Extreme Materie. Physik Journal 5 (2006) Nr

33 Literatur Klanner, R. und Schörner Sadenius, T. Verstehen wir die starke Kraft? Physik Journal 5 (2006) Nr. 5 Rafelski, J. and Letessier, J. Status of Strangeness Flavor Signature of QGP. arxiv:hepph/ v1 Bjorken, J. Highly relaticistic nucleus nucleus collisions: The central rapidity region. Phys. Rev. D. Vol. 27, 1 (Jan. 1983) bielefeld.de/theory/e6/particle/particle.html heidelberg.de/~fschney/2008ss Preseminar/Model.pdf Munzinger, P. and Wambach, J. The Phase Diagram of Strongly Interacting Matter. arxiv: v1 [hep ph] Reygers, K. Die Suche nach dem Quark Gluon Plasma mit dem PHENIX Experiment am RHIC (2004) frankfurt.de/ikf HTML/highenergy/virtual/workshops/ meeting Jan 2006/Stachel/stachel vi sim jan06 edens.pdf Na49 Collaboration. Ω and Ω + production in central Pb+Pb collisions at 40 and 158A GeV. arxiv:nucl ex/ v4 Hands, S. The Phase Diagramm of QCD. arxiv:physics/ v1 (2001) 33