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

Sören Götze ◊ 2005/02/05

Schwerionenphysik

Ein Proseminar im Rahmen der Vorlesung „Experimentelle Methoden der Teilchenphysik“


Schwerionenphysik

Schwerionenphysik an der GSI Zahlen und Fakten Forschungsgebiete

Quark Gluon Plasma Motivation Grundlagen Theorie bisherige Ergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

.:. Inhalt .:.


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 Wissenschaftlerweltweite Kooperationen mit ca. 150 Instituten aus > 30 Länder

Mission: Forschung mit schweren, beschleunigten Ionen

Bau und Betrieb von Beschleunigeranlagen


Schwerionenphysik




Schwerionenphysik



Linearbeschleuniger UNILACSchwerionensynchrotron SISExperimentierspeicherring ESRFragmentseparator FRS

Hochenergie-/Hochleistungs-Laser Phelix (im Aufbau) Medizinische Bestrahlungseinrichtung zur Krebstherapie


Schwerionenphysik.:. Schwerionenphysik an der GSI .:. Zahlen und Fakten



Schwerionenphysik.:. Schwerionenphysik an der GSI .:. Forschungsgebiete

Materialforschung

Biophysik, Strahlenschutz, Krebstherapie

Atomphysik

Plasmaphysik

Kernphysik

Materialien gezielt verändern, mikroskopische Filter, MembranenNanoholes, 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 SchwerionenExtreme Bedingungen (Sonneninnere) PHELIX

Exotische Elemente (6 neue chem. Elem. Darmstadtium Ds110),Grenzen der Stabilität, Entstehung super-schwerer ElementeSpin und Masse von ProtonenQuark-Gluon-Plasma und die Equation of State (EOS)


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.


Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma .:. Grundlagen

Standard-Modell

ud

cs

tb

νe

e-

νμ

μ-

ντ

τ-

Quarks

Leptonen

Spin ½ Fermionen

+ Anti-Teilchen

Wechselwirkungen durch Eichbosonen (Spin ganzzahlig)Photon elektromagn. WWW/Z- Bosonen schwache WWGluonen starke WW(Gravitonen) Gravitation

Hadronen:Mesonen (Quark, Anti-quark Paare)Baryonen (3 Quark Kombinationen)

Kernkraft ist „Restkraft“


Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma .:. Grundlagen

Beschreibung der WW durch Potentiale:

rkr

V sQCD

3

4

rVQED

)ln()233(

12)(

2

2

2

q

f

sN

q

1371QED

QCD

0s

rkVQCD

q² sehr groß, kleine Abstände

q² klein, große Abstände

„asymptotische Freiheit“

„confinement“

1sStörungstheoretische Berechnungen

alternative Methode: Gittereichtheorie, Lattice QCD

1281


Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma .:. Theorie

Lattice QCD macht Vorraussagen über Phasenübergang beisehr hohen Temperaturen, bzw. sehr hoher Kompression

„a new state of matter“



Ordnung des Phasenübergangs unbekannterster Ordnung: unstetige Änderung physikalischer Eigenschaftenzweiter Ordnung: kontinuierlicher Übergang

Mögliches Phasendiagramm



um experimentell einen Phasenübergang zum QGP zu erzeugen: ultrarelativistische Schwerionenreaktionen

Gold auf Gold: 1GeV/Nukleon, 90% Lichtgeschwindigkeitzentraler 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

„spectators“ „participants“

Nukleus z.B. Au „fireball“



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 Λ0 + K+ + n E ~ 700 MeV

b) im QGP: thermische Produktion (doppelte Ruhemasse)

E ~ 300 MeV

Experiment: K+/π+ - Verhältnis gegenüber pp-Reaktionen




• J/ψ Unterdrückung

Produktion von Charmonium in früher Phase

„Lösen“ des gebundenen Zustands im QGPhöhere Temperaturen weniger Charmonium

Perturbative Vacuum

cc

Color Screening

cc

ccqq ccgg

Experiment: Nachweis über cc-Annihilation Lepton-PaareUntergrund: Drell-Yan-Prozess




• Produktion von Dileptonen

rein elektromagnetisches SignalLeptonen/Photonen größere freie Weglänge, können Plasma verlassen

llqq *

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)




• Produktion direkter Photonen

weiteres elektromagnetisches Signaldominierenden Prozesse:

Quark-Antiquark-Vernichtung:

Quark-Gluon-Comptonstreuung:

Experiment: Transversalimpulsverteilung der Photonen Temperatur des QGPGroßer Untergrund:

- harte Stöße (vor Plasma): Quarks, Gluonen harte direkte Photonen (ab pt > 4 GeV/c)

- Hadronengas:

- Hadronisierungsphase: Zerfall neutraler Mesonen (π0, η)

gqq

qgq




• Bildung des disorientierten chiralen Kondensats• Jet quenching, collective flow• „event by event“ fluctuations• Hadronen Multiplizität (statistisches Modell)• …• …

Experimente sind oft „speziell“ für bestimmte Signaturen konzipiertBisher keine „eindeutige“ Veröffentlichung„Viele Indizien für die Bildung eines QGP“


Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma .:. bisherige Ergebnisse

NA49 @ CERN 23. 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


Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma .:. bisherige Ergebnisse

Elab/A

Anton Andronic @ GSI Darmstadt „Nuclear Matter Script“

• Simulationen verfehlen die experimentellen Daten• Schwerionenexperimente aber konsistent

Berechnungen nach E. Bratkovskaya et al., nucl-th/0401031


Schwerionenphysik

NA50, Nucl. Phys. A698(2002) 127

• Einzigartiges Messergebnis für J/Psi- Unterdrückung

• PHENIX @ RHIC zur Zeit genauere Messungen

• In Zukunft: ALICE @ LHC (2007CBM @ FAIR (2012)

Vorhersagen inelastische pp-Streuung

Experiment NA50 @ CERN

.:. Quark Gluon Plasma .:. bisherige Ergebnisse


Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma .:. Zusammenfassung

Nach U. Heinz, hep-ph/0407360

The little „Big Bang“

Harte StößeVerdichtung

ExpansionThermalisierung

„Paarbildung“ / Hadronisierung„freeze out“„Pionenwind“

*

c c

ss

p

p

p

K

K

K

0 < τ < 1 fm/c

1 fm/c < τ < 15 fm/c

τ > 10-15 fm/c

1 fm/c = 3x 10-24s


Schwerionenphysik

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!


Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma .:. Quellen

• Gesellschaft für Schwerionenforschung, www.gsi.de

• 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, http://www.phenix.bnl.gov• STAR website, http://www.star.bnl.gov• CERN website, http://www.cern.de• RHIC website, http://www.bnl.gov/RHIC• FOPI website, http://www-fopi.gsi.de

http://www.gsi.de/


Schwerionenphysik.:. Quark Gluon Plasma .:. Übersicht Experimente

Bevalac @ LBL, Berkeley (1980-1990) Schwerpunktsenergie 2,4GeV, Energie pro Nukleon 1.15GeV/A

AGS @ BNL, Brookhaven (1985-1995) Schwerpunktsenergie 4.8GeV, Energie pro Nukleon 10.5GeV/A

SPS @ CERN, Genf (1987 - 2004) Schwerpunktsenergie 17.3 GeV, Energie pro Nukleon 157GeV/A

SIS @ GSI DarmstadtSchwerpunktsenergie 2.5 GeV, Energie pro Nukleon 1.5GeV/A

RHIC @ BNL, BrookhavenSchwerpunktsenergie 200GeV, Energie pro Nukleon 100GeV/A

LHC @ CERN, Genf (2007)Schwerpunktsenergie 5500 GeV, Energie pro Nukleon 2750GeV/A

FAIR/CBM @ GSI, Darmstadt (2012) Schwerpunktsenergie 8.3GeV, Energie pro Nukleon 35GeV/A

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