Modelling ultra-relativistic heavy ion collisions with the quark Molecular Dynamics qMD

Modellierung ultrarelativistischer Schwerionenkollisionen mit der Quark-Molekulardynamik qMD

This thesis presents a model for the dynamical description of deconfined quark matter created in ultra-relativistic heavy ion collisions, treating quarks and antiquarks as classical point particles subject to a colour-de
This thesis presents a model for the dynamical description of deconfined quark matter created in ultra-relativistic heavy ion collisions, treating quarks and antiquarks as classical point particles subject to a colour-dependent, Cornell-type potential interaction. The model provides a dynamical handle for hadronization via the recombination of quarks and antiquarks in colour neutral clusters. Gluons are not included explicitly in the model,but are described in an effective manner by the means of the potential interaction. The model includes four different quark flavours (up, down, strange and charm) and uses current masses for the quarks. The dynamical evolution of a system of colour charges subject to the Hamiltonian equations of motion of the model yields the formation of colour neutral clusters of quarks and antiquarks, which are subject only to a small remaining interaction, the strong interquark potential notwithstanding. These clusters can be mapped onto hadrons and hadronic resonances. Thus, the model allows a dynamical description of quarks degrees of freedom in heavy ion collisions, including a recombination scheme for hadronization. The thermal properties of the model turn pout to be very satisfying. The model shows a transition from a confining phase to a deconfined phase with rising temperature, going hand in hand with a softest point in the equation of state and a rise of energy density and pressure to the Stefan-Boltzmann limit of a gas of quarks and antiquarks. Moreover, the potential interaction is screened in the deconfined phase. For the dynamical description of ultra-relativistic heavy ion collision, the qMD model is coupled to UrQMD as a generator for its initial conditions. In this way, a fully dynamical description of the expansion and hadronization of the fireball created in such collisions can be achieved. Non-equilibrium aspects of the expansion dynamics and hadronization by recombination of quarks and antiquarks are discussed in detail, and a comparison with experimental data of collisions at the CERN-SPS is presented. The big advantage of the qMD model is the possibility to study cluster formation, including exotic clusters, and fluctuations in a dynamical manner. As an example, event-by-event fluctuations in electric charge are studied. Such fluctuations have been proposed as a clear criterion to distinguish a deconfined system from a hadrons gas. However, experimental data show hadron gas fluctuation measures even at RHIC, where deconfinement is taken for granted. We will see how the dynamics of quark recombination washes out the quark-gluon plasma signal in the fluctuation criterion. Moreover, we will discuss briefly the problem of entropy at recombination. In a second application, the formation of exotic hadronic clusters, larger than usual mesons and baryons, is studied. Such clusters could provide new measures for the thermalization and homogenization of a deconfined gas of colour charges. Moreover, number estimates for exotic clusters from recombination are considerably lower than corresponding predictions from thermal models, providing a clear difference between statistical hadronization and hadronization via quark recombination. A detailed analysis is provided for pentaquark candidates such as the Theta-Plus. It turns out that the distribution of exotic states over strangeness, isospin, and spin could provide a sensitive measure for thermalization and decorrelation in the deconfined quark phase, if it could be measured.
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Diese Arbeit behandelt das molekulardynamische Simulationsmodell qMD (Quark-Molekulardynamik), das im Zusammenhang mit der Untersuchung der Hadronisierung eines Quark-Gluon-Plasmas zur Berücksichtigung des Farbfreiheitsg
Diese Arbeit behandelt das molekulardynamische Simulationsmodell qMD (Quark-Molekulardynamik), das im Zusammenhang mit der Untersuchung der Hadronisierung eines Quark-Gluon-Plasmas zur Berücksichtigung des Farbfreiheitsgrades der elementaren Materie verwendet wird. Das qMD-Modell leistet eine dynamische Beschreibung der Bildung von Hadronen über die Rekombination von Quarks und Antiquarks. In der Quark-Molekulardynamik qMD werden Quarks und Antiquarks als klassische, relativistische Punktteilchen behandelt, die eine Farbladung tragen und über ein langreichweitiges Cornell-Potential wechselwirken. Diese Potentialwechselwirkung trägt den Gluonfreiheitsgraden Rechnung: Gluonen werden nicht explizit als Teilchen behandelt. Es werden vier verschiedene Quarkflavours (up, down, strange und charm) mit ihren Strommassen berücksichtigt. Es zeigt sich, daß die dynamische Entwicklung eines Systems von Farbladungen zur Ausbildung farbneutraler Cluster führt. Diese unterliegen trotz der enormen Stärke der Farbpaarpotentiale einer nur noch sehr schwachen Restwechselwirkung und können daher als Hadronen angesehen werden. Hadronisierung kann dann dynamisch beschrieben werden, indem jedem farbneutralen Cluster ein Hadron oder eine hadronische Resonanz zugeordnet wird. Im thermischen Gleichgewicht weist das qMD-Modell einen Übergang zwischen einer Phase mit Clusterbildung und Farbeinschluß bei tiefen Temperaturen und einer Phase frei beweglicher Farbladungen bei hohen Temperaturen und/oder Dichten auf, wie er von stark wechselwirkender Materie erwartet wird. An diesem Übergang wird die Zustandsgleichung weich, während Energiedichte und Druck der frei beweglichen Farbladungen ansteigen und sich bei hohen Temperaturen dem Stefan-Boltzmann-Grenzwert eines idealen Gases annähern. Es folgt die Anwendung des qMD-Modells auf die Beschreibung ultrarelativistischer Schwerionenkollisionen. Der Anfangszustand für die Quarkdynamik wird dabei durch das hadronische Transportmodell UrQMD bereitgestellt. Das so initialisierte Gas von Farbladungen expandiert und bildet farbneutrale Cluster, die auf Hadronen abgebildet werden. Das qMD-Modell erlaubt einen vollen Zugriff auf die dreidimensionale raumzeitliche Entwicklung des Systems einschließlich der vollständigen Phasenraumverteilungen. Es zeigt sich, daß die dabei ablaufenden dynamischen Prozesse im allgemeinen nicht dem thermischen Gleichgewicht folgen. Ein Vergleich von Resultaten der qMD-Simulationen mit Meßdaten für Schwefel-Gold-Kollisionen belegt, daß das qMD-Modell Phasenraumverteilungen der Hadronen im Endzustand der Kollision sehr gut wiedergibt. Die wirkliche Stärke des qMD-Modells liegt in dem Zugriff auf die Dynamik der Quark- und Antiquarkfreiheitsgrade. Es eignet sich daher hervorragend zur Untersuchung von Fluktuationen in der Quarkphase und deren Schicksal während der Hadronisierung sowie zur dynamischen Beschreibung der Bildung farbneutraler Cluster, einschließlich sogenannter exotischer hadronischer Zustände. So wird das Problem der ereignisweisen Fluktuationen der elektrischen Ladung als Nachweiskriterium für das Quark-Gluon-Plasma im Rahmen von qMD behandelt. Es zeigt sich, daß die Hadronisierung auf dem Wege der Clusterbildung und Rekombination Fluktuationssignale auslöscht, die eigentlich für ein Quark-Gluon-Plasma erwartet werden. Dies deckt sich mit dem experimentellen Befund, daß auch bei höchsten Energien wider Erwarten anhand der Ladungsfluktuationen kein Hinweis auf die Quarkphase drittelzahliger Ladungen gefunden werden konnte. Das Thema exotischer Hadronen hat durch den kürzlichen, wenn auch strittigen Nachweis des Pentaquark-Zustandes Theta-Plus großes Interesse erfahren. Ausgehend von der Idee, daß die Hadronisierung eines Quark-Gluon-Plasmas durch die Rekombination von farbneutralen Clustern ein günstiges Umfeld für die Entstehung solcher höherer Multiplett-Zustände liefert, wird die Bildung von Clustern aus bis zu sechs Quarks oder Antiquarks untersucht. Hieraus kann eine Abschätzung für die Zahl der zu erwartenden Zustände gewonnen werden. Die Verteilung der exotischen Zustände über Seltsamkeit, Isospin und Spin zeigt, daß diese, so sie denn meßbar wäre, einen empfindlichen Sensor für die Thermalisierung und den Verlust von Korrelationen in der Quark-Phase bereitstellen könnte.
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Metadaten
Author:Stefan Scherer
URN:urn:nbn:de:hebis:30-25887
Referee:Horst Stöcker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2006/05/15
Year of first Publication:2005
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2006/04/07
Release Date:2006/05/15
Tag:Exotische Hadronen ; Nichtrelativistisches Potentialmodell ; Quark-Rekombination; Schwerionenkollision
Cluster Hadronization ; Exotic Hadrons; Quark Model ; Quark-Gluon Plasma ; Recombination
SWD-Keyword:Colour ; Fluktuation <Physik> ; Hadronisierung ; Quark <Physik> ; Quark-Gluon-Plasma ; Quarkconfinement ; Schwerionenstoß
HeBIS PPN:178080209
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
PACS-Classification:12.38.Mh Quark-gluon plasma (see also 25.75.Nq Quark deconfinement, quark-gluon plasma production and phase transitions in relativistic heavy ion collisions; see also 21.65.Qr Quark matter)
12.39.Jh Nonrelativistic quark model
12.39.Mk Glueball and nonstandard multi-quark/gluon states
24.60.Ky Fluctuation phenomena
25.75.Nq Quark deconfinement, quark-gluon plasma production, and phase transitions (see also 12.38.Mh Quark-gluon plasma in quantum chromodynamics; 21.65.Qr Quark matter in nuclear matter)
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $