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Untersuchung der Hochdichtephase von relativistischen Schwerionenkollisionen
(2002)
- In der vorliegenden Arbeit wurden die Eigenschaften heißer dichter Kernmaterie in relativistischen Schwerionenkollisionen mit Hilfe transporttheoretischer Methoden untersucht. Dabei wurden über einen weiten Energiebereich von 1 A GeV am GSI/SIS18 über BNL/AGS und GSI/SIS200 bis hin zu 160A GeV Einschußenergie am CERN/SPS verschiedene Observablen diskutiert und mit eigenen Modellrechnungen verglichen. Zunächst wurden in Kapitel 1 in die theoretischen Grundlagen der mikroskopischen Transporttheorie eingeführt und die wichtigsten semiklassischen mikroskopischen Transportmodelle vorgestellt. Das unter eigener Mitwirkung am Institut für Theoretische Physik entstandene Transportmodell, das UrQMD-Modell, wurde im Rahmen dieser Arbeit bis zur Versionsnummer 1.3 verbessert und erweitert. Das Modell und ein Überblick verschiedener Observablen im Modell wurden bereits früher gemeinsam publiziert. Die ausführliche Diskussion dieses Modells in der jetzigen Fassung findet sich in Kapitel 2. Besonders der komplexe Kollisionsterm wird detailliert und systematisch beschrieben. Wo vorhanden, werden die implementierten Kanäle und Wirkungsquerschnitte den experimentellen Daten gegenübergestellt. In Kapitel 3 wurde eine Methode zur relativistisch korrekten Berechnung von Baryon und Mesonendichten sowie von Energiedichten entwickelt. Mit dieser Methode konnten Zeitentwicklungen und Ortsraumverteilungen von Dichten im Bereich von 1 bis 160 A GeV erstellt werden. Im Vordergrund der Analysen stand die Fragestellung, welches Raum-Zei-tVolumen die Hochdichtephase in Abhängigkeit von der Einschuß energie einnehmen kann. Bemerkenswertes Ergebnis dieser Untersuchungen war, daß die maximal erreichbare Dichte zwar mit der Einschußenergie monoton ansteigt, je doch eine besonders ausgedehnte und langlebige Phase hoher Baryonendichte bei Einschußenergien zwischen 5 und 10 GeV/Nukleon erreicht wird. Auch wurde am Beispiel des Systems Uran-Uran bei 23 A GeV untersucht, inwieweit durch den Einsatz deformierter Kerne die Hochdichtephase intensiviert werden kann. Die Rechnungen haben gezeigt, daß die vorhergesagte Steigerung der Baryondichte um 30% bei Verlängerung der Hochdichtephase um 50% nicht realistisch ist. In weiteren Analysen wurden die in Schwerionenkollisionen erreichbaren Energiedichten diskutiert, sowie eine Interpretation der nichtformierten Hadronen als ein "partonischer" Freiheitsgrad vorgestellt. Es hat sich gezeigt, daß der partonische Beitrag zur Energiedichte vor allem in der Frühphase der Kollision bei weitem überwiegt. Im Kapitel 4 wurde ein Modell zur Produktion von Kaonen in der Nähe der Produktionsschwelle vorgestellt. Die elementaren Produktionskanäle wurden hier über hoch massige Resonanzen modelliert, im Gegensatz zu anderen vorgeschlagenen Modellen, die direkte Parametrisierungen vornehmen. Desweiteren wurden alle implementierten Produktions und Streukaäale von seltsamen Hadronen im Vergleich mit experimentellen Daten diskutiert. Das Kapitel 5 widmete sich ausschließlich der Produktion von Mesonen bei SIS18 Energien. Zunächst wurde ausführlich auf den Produktions und Absorptionsprozeß von Pionen im System Pi-N-Delta eingegangen. Sowohl Spektren als auch Multiplizitäten in Abhängigkeit von der Anzahl an Partizipanten im UrQMD wurden mit experimentellen Daten von TAPS und FOPI verglichen. Die Ergebnisse legen nahe, daß die Pionproduktion bis 2 A GeV im Rahmen der mikroskopischen Transporttheorie vollständig verstanden werden kann, wenn neben dem Delta1232 auch alle höheren Resonanzzustände sowie multiste-pAnregungen in die Rechnung einbezogen werden. Auch die Produktion von Kaonen in Abhängigkeit von der Anzahl an Partizipanten und der Systemgröße wurde diskutiert. Auch hier können die gemessenen Zusammenhänge qualitativ im Rahmen des mikroskopischen Modells verstanden werden. Zum Abschluß des Kapitels wurden Ausfrierzeiten, radien und dichten für einzelne Baryonen und Mesonenspezies analysiert. Zentrales Ergebnis dieser Untersuchungen ist, daß es bei einer Schwerionenreaktion keineswegs zu einem simultanen Ausfrieren aller Hadronspezies bei gleicher Dichte und gleichem Radius kommt, sondern daß die Ausfrierverteilungen eine komplexe Zeit und Ortsraumstruktur aufweisen, die u.a. von den Wirkungsquerschnitten und Produktionsmechanismen für die einzelnen Spezies abhängt. In Kapitel 6 wurden die erst kürzlich publizierten Daten der NA49Kollaboration bei 40, 80 und 160 A GeV einer detaillierten Analyse mit dem UrQMD-Modell unterzogen, sowie Vorhersagen für die geplanten Messungen bei 20 A GeV gemacht. Es konnte gezeigt werden, daß es für den Vergleich von Modellrechnung mit dem Experiment notwendig ist, genau die gleiche Zentralitätsbestimmung wie im Experiment zu benutzen. Eine einfache Beschränkung auf ein festes Stoßparameterintervall führt zur Selektion einer falschen Gruppe von Ereignissen. Ein Vergleich des Abstoppverhaltens von Protonen, Hyperonen, Antiprotonen und Antihyperonen hat gezeigt, daß zwar die Dynamik der Baryonen im Rahmen des UrQMD-Modells gut verstanden werden kann, jedoch die Produktion der Antibaryonen um ein mehrfaches unterschätzt wird. Verschiedene Erklärungsmodelle, wie screening oder die Verletzung des detaillierten Gleichgewichts bei Stringzerfällen wurden diskutiert. Auch der starke Einfluß der Implementierung von Annihilationskanälen konnte aufgezeigt werden. Zum Schluß des Kapitels wurde die Produktion von Kaonen und Antikaonen im Modell und im Experiment einer genauen Analyse unterzogen. Die Modellrechnungen legen nahe, daß bei SPS-Energien weder Kaonen noch Antikaonen als direkte Signael der frühen Phase der Kollision betrachtet werden können. Zwar wird die Gesamtseltsamkeit des Systems im wesentlichen in den ersten, harten Kollisionen erzeugt, jedoch finden hinterher noch zahllose Kollisionen mit Seltsamkeitsaustausch statt, bevor Kaonen und Antikaonen endlich ausfrieren. Im letzten Kapitel schließlich wurden die Analysen auf die Daten vom BNL/AGS ausgedehnt und ein vergleichender Überblick über den gesamten Energiebereich von SIS18 bis SPS vorgenommen. Um die Robustheit sowohl der Observablen als auch der mikroskopischen Transporttheorie zu testen, wurden bei acht Energien die Form der Spektren von Protonen, Pionen, Kaonen, Lambdas und Sigmas in Rechnungen mit zwei unabhängigen Transportmodellen und den experimentellen Daten verglichen. Desweiteren wurden für alle Spektren sowohl die 4-Pi -Daten als die Werte bei Mittrapidität ermittelt und als Funktion der Einschußenergie mit den experimentellen Daten verglichen. Schließlich wurden aus den Multiplizitäten Hadron-Hadron-Verhältnise gebildet und diese wiederum mit den Daten verglichen. Neben vielen interessanten Detailerkenntnissen konnte das folgende grobe Bild entwickelt werden: Die korrekte Produktion von Seltsamkeit, sowohl in Hyperonen als auch in Kaonen, gelingt beiden hadronischen Modellen, ohne daß besondere nichthadronische Effekte angenommen werden müßten, über den gesamten Energiebereich. Die Pionproduktion wird bei den verschiedenen Energien mal von dem einen, mal von dem anderen Modell besser beschrieben, nie jedoch sind die Abweichungen größer als etwa 20%. Die Teilchenverhältnisse, deren qualitativer Verlauf ein mögliches Signal für einen Phasenübergang sein soll, werden trotz guter Beschreibung der Pionen und sehr guter Beschreibung der Kaonen von beiden Modellen qualitativ völlig unterschiedlich vorhergesagt. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Rechnungen legen also nahe, daß zum einen die Rolle der Seltsamkeitsproduktion als Indikator für nichthadronische Physik überdacht werden sollte, und zum anderen der qualitative Verlauf des K +/Pi -Verhältnisses aufgrund der geringen Fehlertolleranz nicht als belastbarer Beweis eines Phasenübergangs gesehen werden sollte.
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Nucleus-nucleus collisions at highest energies
(1996)
- The microscopic phasespace approach URQMD is used to investigate the stopping power and particle production in heavy systems at SPS and RHIC energies. We find no gap in the baryon rapidity distribution even at RHIC. For CERN energies URQMD shows a pile up of baryons and a supression of multi-nucleon clusters at midrapidity.
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Fluctuations and inhomogenities of energy density and isospin in Pb + Pb at the SPS
(1998)
- The main goal of heavy ion physics in the last fifteen years has been the search for the quark-gluon-plasma(QGP). Until now, unambigous experimental evidence for the QGP is missing.
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Can momentum correlations proof kinetic equilibration in heavy ion collisions at 160/A-GeV?
(1998)
- We perform an event-by-event analysis of the transverse momentum distribution of final state particles in central Pb(160AGeV)+Pb collisions within a microscopic non-equilibrium transport model (UrQMD). Strong influence of rescattering is found. The extracted momentum distributions show less fluctuations in A+A collisions than in p+p reactions. This is in contrast to simplified p+p extrapolations and random walk models.
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Critical review of quark gluon plasma signatures
(1999)
- Noneequilibrium models (three-fluid hydrodynamics and UrQMD) use to discuss the uniqueness of often proposed experimental signatures for quark matter formation in relativistic heavy ion collisions. It is demonstrated that these two models - although they do treat the most interesting early phase of the collisions quite differently(thermalizing QGP vs. coherent color fields with virtual particles) - both yields a reasonable agreement with a large variety of the available heavy ion data.
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GEANT4 : a simulation toolkit
(2003)
- Abstract Geant4 is a toolkit for simulating the passage of particles through matter. It includes a complete range of functionality including tracking, geometry, physics models and hits. The physics processes offered cover a comprehensive range, including electromagnetic, hadronic and optical processes, a large set of long-lived particles, materials and elements, over a wide energy range starting, in some cases, from 250 eV and extending in others to the TeV energy range. It has been designed and constructed to expose the physics models utilised, to handle complex geometries, and to enable its easy adaptation for optimal use in different sets of applications. The toolkit is the result of a worldwide collaboration of physicists and software engineers. It has been created exploiting software engineering and object-oriented technology and implemented in the C++ programming language. It has been used in applications in particle physics, nuclear physics, accelerator design, space engineering and medical physics. PACS: 07.05.Tp; 13; 23
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Baryon stopping and strange baryon/antibaryon production at SPS energies
(2002)
- The amount of proton stopping in central Pb+Pb collisions from 20 160 A·GeV as well as hyperon and antihyperon rapidity distributions are calcu- lated within the UrQMD model in comparison to experimental data at 40, 80 and 160 A·GeV taken recently from the NA49 collaboration. Further- more, the amount of baryon stopping at 160 A·GeV for Pb + Pb collisions is studied as a function of centrality in comparison to the NA49 data. We find that the strange baryon yield is reasonably described for central colli- sions, however, the rapidity distributions are somewhat more narrow than the data. Moreover, the experimental antihyperon rapidity distributions at 40, 80 and 160 A·GeV are underestimated by up to factors of 3 - depending on the annihilation cross section employed - which might be addressed to missing multi-meson fusion channels in the UrQMD model. PACS 25.75.+r
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Physics opportunities at RHIC and LHC
(1999)
- Nonequilibrium models (three-fluid hydrodynamics, UrQMD, and quark molecular dynamics) are used to discuss the uniqueness of often proposed experimental signatures for quark matter formation in relativistic heavy ion collisions from the SPS via RHIC to LHC. It is demonstrated that these models - although they do treat the most interesting early phase of the collisions quite differently (thermalizing QGP vs. coherent color fields with virtual particles) -- all yield a reasonable agreement with a large variety of the available heavy ion data. Hadron/hyperon yields, including J/Psi meson production/suppression, strange matter formation, dileptons, and directed flow (bounce-off and squeeze-out) are investigated. Observations of interesting phenomena in dense matter are reported. However, we emphasize the need for systematic future measurements to search for simultaneous irregularities in the excitation functions of several observables in order to come close to pinning the properties of hot, dense QCD matter from data. The role of future experiments with the STAR and ALICE detectors is pointed out.
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Exploring isospin, strangeness and charm distillation in heavy ion collisions
(2003)
- The isospin and strangeness dimensions of the Equation of State are explored. RIA and the SIS200 accelerator at GSI will allow to explore these regions in compressed baryonic matter. 132 Sn + 132 Sn and 100 Sn + 100 Sn collisions as well as the excitation functions of K/pi, Lambda/pi and the centrality dependence of charmonium suppression from the UrQMD and HSD transport models are presented and compared to data. Unambiguous proof for the creation of a 'novel phase of matter' from strangeness and charm yields is not in sight.
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Baryon stopping and strange baryon and anti-baryon production at ultrarelativistic energies
(2002)
- The amount of proton stopping in central Pb+Pb collisions from 20–160 A GeV as well as hyperon and antihyperon rapidity distributions are calculated within the UrQMD model in comparison to experimental data at 40, 80, and 160 A GeV taken recently from the NA49 collaboration. Furthermore, the amount of baryon stopping at 160A GeV for Pb+Pb collisions is studied as a function of centrality in comparison to the NA49 data. We find that the strange baryon yield is reasonably described for central collisions, however, the rapidity distributions are somewhat more narrow than the data. Moreover, the experimental antihyperon rapidity distributions at 40, 80, and 160 A GeV are underestimated by up to factors of 3—depending on the annihilation cross section employed—which might be addressed to missing multimeson fusion channels in the UrQMD model. Pacs-Nr.: 25.75.2q, 24.10.Jv, 24.10.Lx
