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Andrea Palermo

• We study the polarization of relativistic fluids using the relativistic density operator at global and local equilibrium. In global equilibrium, a new technique to compute exact expectation values is introduced, which is used to obtain the exact polarization vector for fields of any spin. The same result has been extended to the case of massless fields. Furthermore, it is demonstrated that at local equilibrium not only the thermal vorticity but also the thermal shear contribute to the polarization vector. It is shown that assuming an isothermal local equilibrium, the new term can solve the polarization sign puzzle in heavy ion collisions.
• Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit den Spin-Eigenschaften quantenmechanischer relativistischer Flüssigkeiten und versucht, einige Beobachtungen im sog. Quark-Gluon-Plasma (QGP) zu erklären. Das QGP ist ein in Schwerionenkollisionen erzeugter Zustand extrem heißer und dichter stark wechselwirkender Materie, der sich als quantenmechanische Flüssigkeit beschreiben lässt. Die Energiedichte in diesen Kollisionen ist derart hoch, dass die beteiligten Nukleonen schmelzen, sodass das resultierende Fluid, welches das extremste in der Natur bekannte darstellt, aus deren Konstituenten, den Quarks und Gluonen, besteht. Die Wissenschaft ist sich weitgehend einig, dass die Materie in unserem Universum kurz nach dem Ur-knall im Zustand eines QGP war, sodass die hier durchgeführten Studien auch einen Beitrag zur Physik des frühen Universums leisten können. In peripheren Kollisionen wird das QGP mit einem nichtverschwindenden Bahndrehimpuls erzeugt. Während sich die Flüssigkeit ausdehnt, abkühlt, und schließlich zu Teilchen hadronisiert, wird erwartet, dass der Bahndrehimpuls des Fluids in Spin der emittierten Teilchen umgewandelt werden kann. Diese Vermutung wurde bestätigt, als die STAR Collaboration die Polarisation der Λ-Hyperonen gemessen hat. Diese Polarisation als Funktion der Kollisionsenergiedichte (die sog. globale Polarisation) verschwindet nicht, und konnte gut mit einem Modell beschrieben werden, das auf dem lokalen Gleichgewicht basiert. In diesem Modell geht die sog. thermische Vortizität, welche als die antisymmetrische Ableitung der Vierer-Temperatur definiert ist, als Quelle der Polarisation ein, sodass das QGP als das am schnellsten rotierende jemals erzeugte Fluid angesehen werden kann. An diesem Punkt muss angemerkt werden, dass der Polarisationsvektor zu diesem Zeitpunkt nur bis zur führenden Ordnung in der thermischen Vortizität berechnet werden konnte. Überraschenderweise war die Polarisation als Funktion des Azimutwinkels bei festgehaltener Energiedichte (auch lokale Polarisation genannt) mit dieser Art Modell nicht vereinbar. Der Unterschied zwischen Theorie und Experiment war derart, dass zwischen der theoretischen Vorhersage und den experimentellen Daten gerade ein Vorzeichenunterschied bestand, weswegen sich für dieses Problem der Name polarization sign puzzle etabliert hat. Dieses Resultat sorgte für Aufruhr unter den beteiligten Wissenschaftlern, sodass viel Arbeit in die Aufklärung dieses Widerspruchs investiert wurde. Die Notwendigkeit einer Lösung war die Hauptmotivation für die vorliegende Arbeit.