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Björn Bäuchle

• Direct photon emission from heavy-ion collisions has been calculated and compared to available experimental data. Three different models have been combined to extract direct photons from different environments in a heavy-ion collision: Thermal photons from partonic and hadronic matter have been extracted from relativistic, non-viscous 3+1-dimensional hydrodynamic calculations. Thermal and non-thermal photons from hadronic interactions have been calculated from relativistic transport theory. The impact of different physics assumptions about the thermalized matter has been studied. In pure transport calculations, a viscous hadron gas is present. This is juxtaposed with ideal gases of hadrons with vacuum properties, hadrons which undergo a chiral and deconfinement phase transition and with a system that has a strong first-order phase transition to a deconfined ideal gas of quarks and gluons in the hybrid model calculations with the various Equations of State. The models used for the determination of photons from both hydrodynamic and transport calculations have been elucidated and their numerical properties tested. The origin of direct photons, itemised by emission stage, emission time, channel and baryon number density, has been investigated for various systems, as have the transverse momentum spectra and elliptic flow patterns of direct photons. The differences of photon emission rates from a thermalized transport box and the hadronic photon emission rates that are used in hydrodynamic calculations are found to be very similar, as are the spectra from calculations of heavy-ion collisions with transport model and hybrid model with hadronic Equation of State. Taking into account the full (vacuum) spectral function of the rho-meson decreases the direct photon emission by approximately 10% at low photon transverse momentum. The numerical investigations show that the parameter with the largest impact on the direct photon spectra is the time at which the hydrodynamic description is started. Its variation shows deviations of one to two orders of magnitude. In the regime that can be considered physical, however, the variation is less than a factor of 3. Other parameters change the direct photon yield by up to approximately 20%. In all systems that have been considered -- heavy-ion collisions at E_lab = 35 AGeV and 158 AGeV, (s_NN)**1/2 = 62.4 GeV, 130 GeV and 200 GeV -- thermal emission from a system with partonic degrees of freedom is greatly enhanced over that from hadronic systems, while the difference between the direct photon yields from a viscous and a non-viscous hadronic system (transport vs. hydrodynamics) is found to be very small. Predictions for direct photon emission in central U+U-collisions at 35 AGeV have been made. Since non-soft photon sources are very much suppressed at this energy, experimental results should very easily be able to distinguish between a medium that is entirely hadronic and a system that undergoes a phase transition from partonic to hadronic matter. In the case of lead-lead collisions at 158 AGeV, the situation is not so clear. In central collisions, the complete direct photon spectra including prompt photons seem to favour hadronic emission sources, while the partonic calculations only slightly overpredict the data. In peripheral collisions at the same energy, the hadronic contribution is more than one order of magnitude smaller than the prompt photon contribution, which fits the available experimental data. A similar picture presents itself at higher energies. At RHIC energies, however, the difference between transport calculations and hadronic hybrid model calculations is largest. Hybrid model calculations with partonic degrees of freedom can describe the experimental results in gold-gold collisions at 200 GeV. The elliptic flow component of direct photon emission is found to be consistently positive at small transverse momenta. This means that the initial photon emission from a non-flowing medium does not completely overshine the emission patterns from later stages. High-pt photons dominantly come from the beginning of a heavy-ion collision and therefore do not carry the directed information of an evolving medium.
• Die Kollisionen von schweren Atomkernen (Schwerionen) werden zur experimentellen Untersuchung des Phasendiagramms von stark wechselwirkender Materie benutzt. Da die erzeugten Systeme zu klein und zu explosiv sind, um direkt beobachtet zu werden, müssen aus den Impulsverteilungen der ausgesandten Teilchen Rückschlüsse auf die Vorgänge während einer Kollision gezogen werden. Die meisten Teilchen sind jedoch Hadronen, die erst am Ende einer Schwerionenkollision emittiert werden, weil sie mit den anderen Teilchen streuen, solange das Medium dicht genug ist. Daher lassen sie nur indirekten Einblick in die frühe Phase zu. Direkte Photonen jedoch werden in der ganzen Entwicklung des Systems erzeugt und danach nicht mehr vom Medium absorbiert, weil sie einen sehr kleinen Wechselwirkungsquerschnitt haben. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Modelle benutzt, um die Emission von direkten Photonen aus Schwerionenkollisionen vorherzusagen. Es werden zwei verschiedene Modelle für die Entwicklung der Schwerionenreaktionen werden benutzt. Zum einen wird ein hadronisches Transportmodell (UrQMD) benutzt, in dem Baryonen und Mesonen explizit propagiert und gestreut werden, zum anderen ein Hybrid-Modell aus UrQMD und einem hydrodynamischen Algorithmus (SHASTA). Der hydrodynamische Algorithmus ersetzt im Hybrid-Modell die heiße und dichte Phase der Kollision. Hier können daher verschiedene Materieformen leicht durch angepasste Zustandsgleichungen simuliert werden. Für die Berechnung der Photonenspektren werden drei verschiedene Zustandsgleichungen verwendet. Als Basis-Vergleich zwischen Transß-port- und Hybrid-Modell dient die Hadron Gas-Zustandsgleichung, die Materie mit den selben Freiheitsgraden wie UrQMD beschreibt. Für den Übergang von hadronischer Materie zu partonischer Materie, die bei hohen Temperaturen erwartet wird, werden zwei Modelle verglichen: ein schneller chiraler Cross-over-Phasenübergang zu partonischer Materie (Chirale Zustandsgleichung) und ein Phasenübergang erster Ordnung mit großer latenter Wärme zu einem Plasma von masselosen Partonen (Bag Model-Zustandsgleichung). Die Photonenemission aus Transport- und Hydrodynamik-Phasen wird perturbativ berechnet, das heißt, die Evolution der zugrundeliegenden Kollision wird nicht von der Photonenemission beeinflusst. In allen Systemen ist die Photonenemission aus partonischen Quellen geß-genß-über den hadronischen Kanälen stark erhöht. Bei der höchsten Energie -- (s_NN)**1/2 = 200 GeV -- werden die rein hadronischen Varianten daher von den experimentellen Daten ausgeschlossen. Bei mittlerer Enegie -- E_lab = 158 AGeV -- hingegen überschätzen die Zustandsgleichungen mit partonischer Materie die gemessenen Spektren leicht und die rein hadronischen Modelle sind besser mit den Daten kompatibel. Bei niedriger Energie E_lab = 35 AGeV, die in einigen Jahren an FAIR untersucht werden wird, lassen die Rechnungen eine klare Unterscheidung zwischen Modellen mit und ohne partonischer Phase erkennen. Berechnungen des elliptischen Fluss-Koeffizienten v_2 in den Systemen zeigen, dass bei hohen Transversalimpulsen die isotrope Emission von promß-pten Photonen überwiegt, während sich die Flussmuster des thermischen Mediums bei niedrigen Impulsen und hohen Kollisionsenergien auch messbar auf die Photonenspektren aufprägen. Bei niedrigen Energien ist der Flusskoeffizient auch bei niedrigen Impulsen kompatibel mit null. Von den hadronischen Kanälen wird die pi+rho-Streuung als dominante Photonenquelle bei mittleren und hohen Impulsen ermittelt. Lediglich bei sehr niedrigen Impulsen ist der Anteil von Photonen aus pi+pi-Streuungen größer. Streuungen bei hohen Schwerpunktsenergien tragen signifikant zu den Photonenspektren bei hohen Transversalimpulsen bei, und der Anteil an pi+rho-, pi+pi- und pi+eta-Streuungen ist ähnlich. Dieses Verhalten existiert allerdings nicht bei FAIR-Energien, an denen hohe Schwerpunktsenergien stark unterdrückt sind. Die hadronischen Beiträge verlieren jedoch mit steigender Kollisionsenergie an Bedeutung, da die Systeme bei höheren Energien weit in der partonischen Phase thermalisieren. Die Analyse der Emissionszeiten von direkten Emissionen ergibt, dass der größte Teil der direkten Photonen aus der heißen und dichten Phase stammt, auch in rein hadronischen Rechnungen. Nur Emission bei hohen Transversalimpulsen kommt vorwiegend aus der frühen, nicht-thermalisierten Phase der Kollisionen. Die Emission von direkten Photonen wird von Gebieten mit niedriger Baryonendichte dominiert. Nur in Bereichen, in denen frühe Emission dominiert, sind die Baryonendichten am Emissionspunkt hoch. Zusammenfassend liegt mit dieser Arbeit die erste Untersuchung zu direkten Photonenspektren aus einem Transport+Hydro-Hybrid-Modell vor. Die detaillierten Analysen können in experimentellen Fragestellungen helfen, die Herkunft der Photonen zu klären.