Nonequilibrium phase transitions in chiral fluid dynamics including dissipation and fluctuation

Nichtgleichgewichtsphasenübergänge in chiraler Fluiddynamik mit Dissipation und Fluktuation

Chiral fluid dynamics combines the fluid dynamic expansion of a hot and dense plasma created in a heavy-ion collision with the explicit propagation of fluctuations at the chiral phase transition of quantum chromodynamics
Chiral fluid dynamics combines the fluid dynamic expansion of a hot and dense plasma created in a heavy-ion collision with the explicit propagation of fluctuations at the chiral phase transition of quantum chromodynamics. From systems in equilibrium long-range fluctuations are expected at a conjectured critical point. Heavy-ion collisions are, however, finite in size and time and very dynamic. It is thus likely that nonequilibrium effects diminish the signal of a critical point. They can, however, stimulate phenomena at a first order phase transitions, like nucleation and spinodal decomposition. Both of phase transition scenarios are investigated in this work. Based on the linear sigma model with constituent quarks a consistent quantum field theoretical approach using the two-particle irreducible effective action is developed to derive both, the local equilibrium properties of the expanding quark fluid and the damping and noise terms in the Langevin equation of the order parameter of the phase transition, the sigma field. Within this formalism it is possible to obtain a conserved energy-momentum tensor of the coupled system. It describes the energy dissipation from the sigma field to the heat bath during relaxation. Within this model we investigate nonequilibrium phenomena in a scenario with a critical point and a first order phase transition. We observe long relaxation times at the phase transition, phase coexistence at the first order phase transition and critical slowing down at the critical point. We find a substantial supercooling in a first order phase transition in our model and due to the energy-momentum exchange also reheating is present. While at the critical point the correlation length increases slightly we find an enhanced intensity of nonequilibrium fluctuations at the first order phase transition, which leads to an increased production of sigma mesons.
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Chirale Fluiddynamik verbindet die fluiddynamische Expansion eines heißen und dichten Plasmas, das in einer Schwerionenkollision entstehen kan, mit der expliziten Propagation von Fluktuationen am chiralen Phasenübergang 
Chirale Fluiddynamik verbindet die fluiddynamische Expansion eines heißen und dichten Plasmas, das in einer Schwerionenkollision entstehen kan, mit der expliziten Propagation von Fluktuationen am chiralen Phasenübergang der Quantenchromodynamik. Für Systeme im Gleichgewicht werden an einem möglichen kritischen Punkt langreichweitige Fluktuationen erwartet. Schwerionenkollisionen sind aber endlich in Größe und Lebenszeit, und haben eine schnelle Dynamik. Es ist daher wahrscheinlich, dass Nichtgleichgewichtseffekte die Signale am kritischen Punkt reduzieren. Am Phasenübergang erster Ordnung allerdings kommt es hier zu interessanten Effekten, wie Nukleation und spinodale Dekomposition. Beide Phasenübergangsszenarien werden in der vorliegenden Arbeit untersucht. Ausgehend vom linearen Sigmamodell mit Konstitutentenquarks entwickeln wir einen konsistenten quantenfeldtheoretischen Ansatz, wobei wir die zwei-Teilchen irreduzible effektive Wirkung berechnen und somit sowohl die lokalen Gleichgewichtseigenschaften der expandierenden Quarkflüssigkeit als auch die Dämpfungs- und Rauschterme in der Langevin-Gleichung für den Ordnungsparameter des Phasenübergangs, das Sigmafeld, herleiten. In diesem Formalismus ist es möglich einen erhaltenen Energie-Impuls-Tensor des gekoppelten Systems zu erhalten. Er beschreibt die Energiedissipation von dem Sigmafeld in das Wärmebad während der Relaxation. Innerhalb dieses Modells untersuchen wir die Nichtgleichgewichtsphänomene in einem Szenario mit einem kritischen Punkt und mit einem Phasenübergang erster Ordnung. Wir beobachten lange Relaxationszeiten am Phasenübergang, die Phasenkoexistenz am Phasenübergang erster Ordnung und die kritische Verlangsamung am kritischen Punkt. Wir finden eine erhebliche Unterkühlung am Phasenübergang erster Ordnung und aufgrund des Energie-Impuls-Austauschs auch ein Aufheizen des Systems. Während am kritischen Punkt die Korrelationslänge leicht anwächst ist die Intensität der Nichtgleichgewichtsfluktuationen am Phasenübergang erster Ordnung erhöht und führt zu einer verstärkten Produktion von Sigmamesonen.
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Metadaten
Author:Marlene Nahrgang
URN:urn:nbn:de:hebis:30-110177
Referee:Marcus Bleicher, Horst Stöcker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2011/08/05
Year of first Publication:2011
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2011/07/13
Release Date:2011/08/05
Tag:QCD phase diagram ; heavy-ion collision ; nonequilibrium phase transitions
HeBIS PPN:272307513
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

$Rev: 11761 $