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Jan Steinheimer-Froschauer

• The aim of this work is to develop an effective equation of state for QCD, having the correct asymptotic degrees of freedom, to be used as input for dynamical studies of heavy ion collisions. We present an approach for modeling an EoS that respects the symmetries underlying QCD, and includes the correct asymptotic degrees of freedom, i.e. quarks and gluons at high temperature and hadrons in the low-temperature limit. We achieve this by including quarks degrees of freedom and the thermal contribution of the Polyakov loop in a hadronic chiral sigma-omega model. The hadronic part of the model is a nonlinear realization of an sigma-omega model. As the fundamental symmetries of QCD should also be present in its hadronic states such an approach is widely used to describe hadron properties below and around Tc. The quarks are introduced as thermal quasi particles, coupling to the Polyakov loop, while the dynamics of the Polyakov loop are controlled by a potential term which is fitted to reproduce pure gauge lattice data. In this model the sigma field serves a the order parameter for chiral restoration and the Polyakov loop as order parameter for deconfinement. The hadrons are suppressed at high densities by excluded volume corrections. As a next step, we introduce our new HQ model equation of state in a microscopic+macroscopic hybrid approach to heavy ion collisions. This hybrid approach is based on the Ultra-relativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) transport approach with an intermediate hydrodynamical evolution for the hot and dense stage of the collision. The present implementation allows to compare pure microscopic transport calculations with hydrodynamic calculations using exactly the same initial conditions and freeze-out procedure. The effects of the change in the underlying dynamics - ideal fluid dynamics vs. non-equilibrium transport theory - are explored. The final pion and proton multiplicities are lower in the hybrid model calculation due to the isentropic hydrodynamic expansion while the yields for strange particles are enhanced due to the local equilibrium in the hydrodynamic evolution. The elliptic and directed flow are shown to be not sensitive to changes in the EoS while the smaller mean free path in the hydrodynamic evolution reflects directly in higher flow results which are consistent with the experimental data. This finding indicates qualitatively that physical mechanisms like viscosity and other non equilibrium effects play an essentially more important role than the EoS when bulk observables like flow are investigated. In the last chapter, results for the thermal production of MEMOs in nucleus-nucleus collisions from a combined micro+macro approach are presented. Multiplicities, rapidity and transverse momentum spectra are predicted for Pb+Pb interaction at different beam energies. The presented excitation functions for various MEMO multiplicities show a clear maximum at the upper FAIR energy regime making this facility the ideal place to study the production of these exotic forms of multistrange objects.
• Das Ziel dieser Arbeit ist es eine effektive Zustandsgleichung für die Quanten Chromo Dynamik zu entwickeln, welche die korrekten asymptotischen Eigenschaften dieser Theorie hat. Diese soll dann als Input für dynamische Modellstudien von Schwerionenkollisionen dienen. Das in der vorliegenden Arbeit entwickelte Modell erlaubt eine gleichzeitige beschreibung der spontanen Brechung der chiralen Symmetry sowie einen Übergang von hadronischer zu Quark-Materie. Dies wird erreicht indem wir Quarks sowie den thermischen Beitrag des Polyakov Loop in eine hadronisches chirales Modell einführen. Der hadronische Teil unseres Modells ist eine nichtlineare Realisierung eines sigma-omega Modells. Mit unserem Modell erreichen wir eine gute Beschreibung des nuklearen Grundzustandes sowie der Vakuumeigenschaften der Hadronen. Die Quarks in diesem Model werden dann als quasi-Teilchen eingeführt welche an den Polyakov Loop koppeln, während die Dynamik des Polyakov Loop durch ein effektives Potential bestimmt wird. In diesem Model dient das sigma-Feld als Ordnungsparameter für die chirale Restauration und der Polyakov Loop für die Befreiung der Quarks. Bei hohen Dichten werden die Hadron durch die Einführung von Volumenkorrekturtermen unterdrückt. Dennoch enthält diese Modell einen nicht vernachlässigbaren Beitrag von Hadronen bis zu einer Temperatur die 2 mal der kritischen Temperatur entspricht. Der nächste Schritt dieser Arbeit ist die Einarbeitung der neuen effektiven Zustandsgleichung in ein Modell zur Beschreibung von relativistischen Schweriononenstößen. Das von uns verwendete Hybridmodell basiert auf dem Ultra-relativistischen Quantum Molekular Dynamik (UrQMD) Transport Modell und beinhaltet eine hydrodynamische Evolution für die heiße und dichte Phase der Schwerionenkollision. Dabei wird UrQMD verwendet um einen Anfangszustand für die hydrodynamische Phase zu erzeugen. Eine Voraussetzung zur Verwendung von Fluid dynamischen Modellen ist die Annahme eine lokalen thermodynamischen Gleichgewichtes. In unserem Model folgt hieraus eine verstärkte Produktion von seltsamen Hadronen. Dies führt zu einer verbesserten Beschreibung von seltsamen Teilchenzahlverhältnissen, insbesondere dem Verhältnis von positiv geladenen Kaonen und Pionen. Wir untersuchen die Abhängigkeit verschiedener Observablen von der verwendeten Zustandsgleichung. Hier können wir zeigen das die kollektiven Eigenschaften des Feuerballs, wie der Teilchenfluß, scheinbar unabhängig von der verwendeten Zustandsgleichung sind. Insbesondere untersuchen wir Observablen wie den gemittelten transversalen Fluß, und die ersten zwei Momente der Multipolentwicklung des Teilchenflußes. Unabhängig von der verwendeten Zustandsgleichung weichen die Modellrechnungen qualitativ von gemessenen Daten ab. Dies bedeutet das andere Physikalische Effekte, wie z.B. eine endliche Viskosität oder nich-Gleichgewichtseffekte eine scheinbar größere Rolle spielen als die Zustandsgleichung. Im letzten Kapitel dieser Arbeit werden thermische Produktionsraten für Hyperkerne und MEMO's (Metastable Exotic Multihypernuclear Objects) präsentiert. Die möglichen Produktionsraten, von Hyperkernen und MEMO's, in Schwerionenexperimenten werden mit dem vorher beschriebenen Hybridmodel berechnet. Des weiteren können Rapidititäts- und Impulsspektren für Kollisionen von Bleikernen vorhergesagt werden. Die Anregungsfunktionen verschiedener Hyperkerne und MEMO's zeigt ein klares Maximum im Energiebereich des geplanten FAIR Beschleunigers. Dieser ist daher der ideale Platz um nach neuen exotischen Zuständen seltsamer Materie zu suchen.