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We study the influence of the baryon chemical potential μB on the properties of the Quark–Gluon–Plasma (QGP) in and out-of equilibrium. The description of the QGP in equilibrium is based on the effective propagators and couplings from the Dynamical QuasiParticle Model (DQPM) that is matched to reproduce the equation-of-state of the partonic system above the deconfinement temperature Tc from lattice Quantum Chromodynamics (QCD). We study the transport coefficients such as the ratio of shear viscosity η and bulk viscosity ζ over entropy density s, i.e., η/s and ζ/s in the (T,μ) plane and compare to other model results available at μB=0 . The out-of equilibrium study of the QGP is performed within the Parton–Hadron–String Dynamics (PHSD) transport approach extended in the partonic sector by explicitly calculating the total and differential partonic scattering cross sections based on the DQPM and the evaluated at actual temperature T and baryon chemical potential μB in each individual space-time cell where partonic scattering takes place. The traces of their μB dependences are investigated in different observables for symmetric Au + Au and asymmetric Cu + Au collisions such as rapidity and mT -distributions and directed and elliptic flow coefficients v1,v2 in the energy range 7.7 GeV ≤sNN−−−−√≤200 GeV.
We extend the parton‐hadron‐string dynamics (PHSD) transport approach in the partonic sector by explicitly calculating the total and differential partonic scattering cross sections as a function of temperature T and baryon chemical potential μB on the basis of the effective propagators and couplings from the dynamical quasiparticle model (DQPM) that is matched to reproduce the equation of state of the partonic system above the deconfinement temperature Tc from lattice quantum chromodynamics (QCD). We calculate the collisional widths for the partonic degrees of freedom at finite T and μB in the time‐like sector and conclude that the quasiparticle limit holds sufficiently well. Furthermore, the ratio of shear viscosity η over entropy density s, that is, η/s, is evaluated using the collisional widths and compared to lattice QCD(lQCD) calculations for μB = 0 as well. We find that the ratio η/s does not differ very much from that calculated within the original DQPM on the basis of the Kubo formalism. Furthermore, there is only a very modest change of η/s with the baryon chemical μB as a function of the scaled temperature T/Tc(μB). This also holds for a variety of hadronic observables from central A + A collisions in the energy range 5 GeV urn:x-wiley:00046337:media:asna201913708:asna201913708-math-0001 200 GeV when implementing the differential cross sections into the PHSD approach. Accordingly, it will be difficult to extract finite μB signals from the partonic dynamics based on “bulk” observables.
Die vorliegende Dissertation untersucht die Nichtgleichgewichtsdynamik von relativistischen Schwerionenkollisionen ausgehend von der anfänglichen Produktion von Teilchen durch den Zerfall von Strings, der Bildung eines Quark-Gluon-Plasmas (QGP), dessen kinetische und chemische Äquilibrierung als Funktion der Zeit sowie seine Transporteigenschaften im Gleichgewicht bei endlicher Temperatur und endlichem chemischen Potential. Ein Verständnis der frühen Phase der Schwerionenkollisionen ist insbesondere von großen Interesse, da letztere eine Verbindung zwischen den ersten Nukleon-Nukleon Kollisionen und der Quark-Gluon-Plasma Phase herstellen, die zu einem späteren Zeitpunkt ein gewisses Maß an Thermalisierung zeigt. Allerdings können nur Nichtgleichgewichts-Theorien eine Verbindung zwischen dem anfänglichen QGP und seiner - zumindest partiellen - Thermalisierung herstellen. Um die Dynamik eines stark wechselwirkenden Mediums wie des Quark-Gluon-Plasmas zu beschreiben, reichen übliche Transportgleichungen (basierend auf der Boltzmann-Gleichung) nicht aus und es müssen komplexere Theorien, die auch für stark korrelierte Medien geeignet sind, angewendet werden. Hier kommen hydrodynamische Simulationen oder Transportrechnungen - basierend auf verallgemeinerten Transportgleichungen - zum Einsatz. Solche verallgemeinerte Transportgleichungen, wie die Kadanoff-Baym-Gleichungen, ergeben sich aus der quantenmechanischen Nichtgleichgewichts-Vielteilchentheorie, in der Green’s- Funktionen in Minkowski Raum-Zeit die interessierenden Größen sind, um die Dynamik des betrachteten Mediums zu beschreiben. Mit geeigneten Näherungen kann man so kinetische Transportgleichungen erhalten, die eine einheitliche Behandlung von stabilen und instabilen Teilchen auch außerhalb des Gleichgewichts ermöglichen. Diese Bestandteile bilden die Basis des Transportmodells Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD), welches daher ein geeignetes ’Instrument’ ist um die verschiedenen Phasen einer Schwerionenkollision zu analysieren, egal ob die verschiedenen Formen der Materie im Gleichgewicht sind oder nicht.
In dieser Arbeit wird zunächst die Quantenchromodynamik (QCD) vorgestellt und erklärt, wie diese Theorie im Laufe der Jahre entwickelt wurde um ein wichtiger Bestandteil des Standardmodells der Teilchenphysik zu werden. Wir werden weiterhin die verbleibenden Herausforderungen in unserem Verständnis der QCD vorstellen, die sich primär auf das Phasendiagramm der stark wechselwirkenden Materie konzentrieren.
Im zweiten Kapitel untersuchen wir die Nichtgleichgewichts-Feldtheorie und die damit verbundenen Techniken - wie die Keldysh-Kontur - zur Beschreibung der Green’schen Funktionen als wesentlichen Freiheitsgrade. Wir leiten die Evolutionsgleichung für die Green’schen Funktionen her, d. h. die Kadanoff Baym-Gleichungen am Beispiel einer skalaren Feldtheorie.
Im nächsten Kapitel wird das Transportmodell Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD), welches die Anwendung der verallgemeinerten Transportgleichungen zur Beschreibung relativistischer Schwerionenkollisionen darstellt, vorgestellt.
Wir beginnen im Kapitel 4 mit der Untersuchung der Nichtgleichgewichtseigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas, welches bei relativistischen Schwerionenkollisionen erzeugt wird. Zu diesem Zweck vergleichen wir die Quark-Gluon-Plasmaentwicklung aus dem PHSD mit einem viskosen hydrodynamischen Modell, bei dem ein lokales kinetisches und chemisches Gleichgewicht angenommen wird.
Im Kapitel 5 konzentrieren wir uns auf das frühe Vorgleichgewichtsstadium ultra-relativistischer Schwerionenkollisionen und insbesondere auf die Freiheitsgrade der QGP-Phase in diesem Stadium. Wir untersuchen die Auswirkungen eines QGP, welches anfänglich entweder aus einem System aus massiven Gluonen (Szenario I) oder alternativ aus Quarks und Antiquarks (Szenario II) besteht. Das nächste Kapitel wird ebenfalls die Produktion von Teilchen im Frühstadium von Schwerionenkollisionen behandeln, jedoch bei niedrigeren Kollisionsenergien. Hier wird eine mikroskopische Beschreibung des K+/pi+-Verhältnisses im Vordergrund stehen, d. h. die Erklärung des Maximums in diesem Verhältnis bei etwa 30 A GeV ("Horn") in zentralen Au+Au (oder Pb+Pb) Kollisionen. Insbesonders werden wir die Modifikation des String-Fragmentierungsprozesses (über den Schwinger-Mechanismus) in einer Umgebung mit hoher hadronischer Dichte aufgrund der teilweisen Wiederherstellung der chiralen Symmetrie untersuchen.
In Kapitel 7 erweitern wir das Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD)-Transportmodell im partonischen Sektor, indem wir explizit die totalen und differentiellen partonischen Streuungsquerschnitte als Funktion der Temperatur T und des baryochemischen Potentials μB berechnen auf der Basis der effektiven Propagatoren und Kopplungen des Dynamical QuasiParticle Models (DQPM), welches auch die generelle Zeitentwicklung der partonischen Freiheitsgrade beschreibt. Wir finden nur eine sehr bescheidene Änderung von n/s mit dem baryonchemischen Potential μB in Abhängigkeit von der skalierten Temperatur T/Tc(μB). Dies gilt auch für eine Vielzahl von hadronischen Observablen aus zentralen A+A Kollisionen im Energiebereich von 5 GeV < vsNN < 200 GeV bei der Implementierung der differentiellen Querschnitte in das PHSD-Modell. Da wir in Schwerionen-Observablen nur kleine Spuren einer μB-Abhängigkeit finden - obwohl die effektiven Partonenmassen und Kollisionsbreiten sowie deren Partonenquerschnitte eindeutig von μB abhängen - impliziert dies, dass man eine beträchtliche Partonendichte und ein großes Raum-Zeit-QGP-Volumen zur Untersuchung der Dynamik in der partonischen Phase benötigt. Diese Bedingungen sind nur bei hohen Kollisionsenergien erfüllt, bei denen μB jedoch eher niedrig ist. Wenn andererseits die Kollisionsenergie verringert und somit μB erhöht wird, wird die hadronische Phase dominant und dementsprechend wird es zunehmend schwieriger, Signale aus der Partonendynamik auf der Basis von "Bulk"-Observablen zu extrahieren.
We study equilibrium as well as out-of-equilibrium properties of the strongly interacting QGP medium under extreme conditions of high temperature T and high baryon densities or baryon chemical potentials μB within a kinetic approach. We present the thermodynamic and transport properties of the QGP close to equilibrium in the framework of effective models with Nf=3 active quark flavours such as the Polyakov extended Nambu-Jona Lasinio (PNJL) and dynamical quasiparticle model with the CEP (DQPM-CP). Considering the transport coefficients and the EoS of the QGP phase, we compare our results with various results from the literature. Furthermore, out-of equilibrium properties of the QGP medium and in particular, the effect of a μB- dependence of thermodynamic and transport properties of the QGP are studied within the Parton-Hadron-String-Dynamics (PHSD) transport approach, which covers the full evolution of the system during HICs. We find that bulk observables and flow coefficients for strange hadrons as well as for antiprotons are more sensitive to the properties of the QGP, in particular to the μB - dependence of the QGP interactions.
We study the effect of the chiral symmetry restoration (CSR) on heavy-ion collisions observables in the energy range sNN=3–20GeV within the Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD) transport approach. The PHSD includes the deconfinement phase transition as well as essential aspects of CSR in the dense and hot hadronic medium, which are incorporated in the Schwinger mechanism for particle production. Our systematic studies show that chiral symmetry restoration plays a crucial role in the description of heavy-ion collisions at sNN=3–20GeV, realizing an increase of the hadronic particle production in the strangeness sector with respect to the non-strange one. Our results provide a microscopic explanation for the horn structure in the excitation function of the K+/π+ ratio: the CSR in the hadronic phase produces the steep increase of this particle ratio up to sNN≈7GeV, while the drop at higher energies is associated to the appearance of a deconfined partonic medium. Furthermore, the appearance/disappearance of the horn structure is investigated as a function of the system size. We additionally present an analysis of strangeness production in the (T,μB)-plane (as extracted from the PHSD for central Au+Au collisions) and discuss the perspectives to identify a possible critical point in the phase diagram.
We review the properties of the strongly interacting quark-gluon plasma (QGP) at finite temperature T and baryon chemical potential µB as created in heavy-ion collisions at ultrarelativistic energies. The description of the strongly interacting (non-perturbative) QGP in equilibrium is based on the effective propagators and couplings from the Dynamical QuasiParticle Model (DQPM) that is matched to reproduce the equation-of-state of the partonic system above the deconfinement temperature Tc from lattice QCD. Based on a microscopic transport description of heavy-ion collisions, we discuss which observables are sensitive to the QGP creation and its properties.
The effect of the chiral symmetry restoration (CSR) on observables from heavy-ion collisions is studied in the energy range =3–20 GeV within the Parton-Hadron-String Dynamics (PHSD) transport approach. The PHSD includes the deconfinement phase transition as well as essential aspects of CSR in the dense and hot hadronic medium, which are incorporated in the Schwinger mechanism for the hadronic particle production. We adopt different parametrizations of the nuclear equation of state from the non-linear σ - ω model, which enter in the computation of the quark scalar density for the CSR mechanism, in order to estimate the uncertainty in our calculations. For the pion-nucleon ∑-term we adopt ∑π ≈ 45 MeV which corresponds to a ’world average’. Our systematic studies show that chiral symmetry restoration plays a crucial role in the description of heavy-ion collisions at =3–20 GeV, realizing an increase of the hadronic particle production in the strangeness sector with respect to the non-strange one. We identify particle abundances and rapidity spectra to be suitable probes in order to extract information about CSR, while transverse mass spectra are less sensitive ones. Our results provide a microscopic explanation for the "horn" structure in the excitation function of the K+/π+ ratio: the CSR in the hadronic phase produces the steep increase of this particle ratio up to ≈ 7 GeV, while the drop at higher energies is associated to the appearance of a deconfined partonic medium.