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Die auf dem ACDM-Modell beruhenden numerischen Simulationen der gravitativen Strukturbildung sind auf Skalen M >> 10 hoch 10 M sehr erfolgreich, insbesondere konvergieren die Verfahren hinsichtlich des vorhergesagten Masseanteils der Halos an der Gesamtmasse von Galaxien. Jedoch konvergieren die Simulationen nicht bezüglich der lokalen Überdichten von CDM in den Halos, vielmehr setzt sich gravitative Strukturbildung auf immer kleinere Skalen fort. Numerisch kann keine Massen-Schwelle berechnet werden, unterhalb derer keine CDM-Strukturen mehr gravitativ gebildet werden. Die Kenntnis der lokalen Überdichten in den CDM-Wolken und die Verteilung der CDM-Wolken ist jedoch für Experimente zum direkten und indirekten Nachweis von CDM-Teilchen essentiell. Aus den lokalen Überdichten folgen für Experimente zum direkten Nachweis die einfallende Stromdichten der CDM-Teilchen und für Experimente zum indirekten Nachweis die Stromdichte der Annihilationsprodukte. Außerdem können die lokalen Überdichten als Gravitationslinsen wirken. In dieser Arbeit werden Massen Schwellen analytisch berechnet, unterhalb derer akustische Störungen in CDM nicht mehr zur gravitativen Strukturbildung beitragen können. Das Massen-Spektrum von lokalen Überdichten ist nach unten durch zwei unterschiedliche Mechanismen beschränkt: (1) Während der kinetischen Entkopplung formieren sich Nichtgleichgewichtsprozesse, die sich kollektiv als Reihungsphänomene konstituieren. Im lineare Regime sind dies die Volumenviskosität, die Scherungsviskosität und die Wärmeleitung. Die dissipativen Prozesse deponieren Energie und Impuls der akustischen Störungen in die Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Störungen und schmieren diese so aus. (II) Nach dem kinetischen Entkopplungsprozeß strömt CDM frei auf Geodäten. Dies ermöglicht einen Strom von Teilchen von überdichten in unterdichte Regionen, so daß die Amplituden der lokalen Überdichten weiter gedämpft werden. Die lokalen Transportkoeffizienten in (1) werden durch einen legitimen Vergleich von hydrodynamischer und kinetischer Beschreibung schwach dissipativer Prozesse gewonnen. Dissipative Prozesse induzieren eine Dämpfungsmasse Mc ungefähr gleich 10 hoch minus 9 M in SUSY-CDM und beschränken damit das Spektrum akustischer Störungen in SUSY-CDM. Freies Strömen (II) von CDM-Teilchen auf Geodäten induziert eine weitere Dämpfungsmasse M fs ungefähr gleich 10 hoch minus 6 M in SUSY-CDM, wobei das berechnete M d als Anfangswert dient. Die berechneten Schwellen liefern konsistente Schranken für numerische Simulationen, die weit unterhalb des momentanen numerischen Auflösungsvermögens liegen. Weiterhin folgt aus den Schwellen die Masse der ersten rein gravitativ gebundenen CDM-Wolken. Aus diesen bilden sich im Rahmen der hierarchischen Strukturbildung größere Substrukturen bis hin zu den heute vorhandenen CDM-Halos.
Gegenstand dieser Arbeit sind Eigenschaften angeregter hadronischer Materie sowie physikalische Systeme, in denen diese Materie auftritt bzw. produziert wird. Die Beschreibung der stark wechselwirkenden Materie erfolgt in einem hadronischen, chiral-symmetrischen SU(3)L x SU(3)R Modell, welches die Saturierungseigenschaften von Kernmaterie und die Eigenschaften von Atomkernen reproduziert. Die Untersuchung heißer und dichter unendlicher hadronischor Materie zeigt, dass das vom Modell vorhergesagte Phasendiagramm stark von den Kopplungen der Baryonenresonanzen abhängt. Für kalte hadronische Materie ergibt die Einbeziehung des Baryonendekupletts und die Freiheit in deren Vektorkopplungen eine sehr große Bandbreite an verschiedenen Zustandsgleichungen. Für heiße hadronische Materie mit verschwindendem baryochemischen Potential zeigt sich ebenfalls eine starke Abhängigkeit der Eigenschaften hadronischer Materie von der Ankopplung der baryonischen Resonanzen. Es werden drei verschiedene Parametrisierungen betrachtet. Das resultierende Phasenübergangsverhalten variiert von einem "Crossover" über einen schwachen, zu einem doppelten Phasenübergang erster Ordnung. Es zeigt sich jedoch, dass die beobachteten Eigenschaften von Neutronensternen die Unbestimmtheit bzgl. der Vektorkopplung dieser Freiheitsgrade und damit der Zustandsgleichung deutlich verringern. Das Raum-Zeit Verhalten relativistischer Schwerionenkollisionen bei SPS- und RHIC-Energien wird mittels einer hydrodynamischen Simulation unter Benutzung der chiralen Zustandsgleichungen untersucht. Dabei spiegelt sich das unterschiedliche Phasenübergangsverhalten deutlich im Ausfrierverhalten der hadronischen Materie wider. Die im chiralen Modell berechneten Teilchenzahlverhältnisse werden mit den aus Schwerionenkollisionen von AGS- bis RHIC-Energien erhaltenen experimentellen Daten verglichen. Dabei zeigt sich, dass die verschiedenen Parametersätze des chiralen Modells und die Rechnungen für ein nichtwechselwirkendes, ideales Hadronengas eine ähnlich gute Beschreibung der gemessenen Weite liefern. Die deduzierten Ausfrierwerte für die Temperatur sind sensitiv auf das Phasenübergangsverhalten und liegen unterhalb der jeweiligen kritischen Temperatur. Die vorhergesagten Ausfriermassen sind in allen Parametrisierungen sehr ähnlich mit Abweichungen bis zu 15% von den entsprechenden Vakuumwerten. Die Untersuchung der Eigenschaften von Vektormesonen in dichter Materie erfolgt in der Mittleren-Feld- und in der HartreeNäherung. Hierbei zeigt sich eine signifikante Reduzierung der Teilchenmassen durch Vakuumpolarisationseffekte.
Nonequilibrium phase transitions in chiral fluid dynamics including dissipation and fluctuation
(2011)
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.
Wir haben uns in dieser Arbeit der möglichen Produktion Schwarzer Löcher in hochenergetischen Teilchenkollisonen unter Annahme einer Raumzeit mit großen Extra-Dimensionen gewidmet. Die Produktionsraten, die bei einer neuen fundamentalen Skala im Bereich Mf ~ 1 TeV zu erwarten sind, liegen für den LHC in der Größenordnung von ~ 10 hoch 8 Schwarzen Löchern pro Jahr. Diese hohe Anzahl begründet das Interesse an den Eigenschaften der produzierten Schwarzen Löchern und wirft die Frage auf, wie diese Objekte beobachtet werden können. Bei der Untersuchung der Eigenschaften dieser Schwarzen Löcher haben wir festgestellt, dass das Entstehen Schwarzer Löcher ab einer c.o.m.-Energie im Bereich der neuen Planck-Masse zu einer raschen Unterdrückung hochenergetischer Jets, wie sie in pp-Kollisionen entstehen, führt. Dies ist ein klares Signal und leicht zu beobachten. Unter Ansetzen des Mikrokanonischen Ensembles haben wir die Zerfallsrate der Schwarzen Löcher und ihre Lebensdauer berechnet. Es zeigt sich, dass diese Lebensdauer hoch genug ist, um ein zeitlich deutlich verzögertes Signal zu erhalten. Nimmt man an, dass die statistische Mechanik bis zur Größenordung Mf gülig bleibt, so gelangen die Schwarzen Löcher im Zuge ihrer Verdunstung in einen quasi-stabilen Zustand und ein Rest verbleibt. Die Lebenszeit ist von der Anzahl der Dimensionen abhängig und lässt so Rückschlüsse auf diesen Parameter zu. Im Falle (Mf ~ TeV, d > 5) liegt sie für Energien von ~ 10 TeV in der Größenordung 100 fm/c. Eine geometrische Quantisierung der Strahlung legt außerdem nahe, dass die Schwarzen Löcher nicht restlos verdampfen können, sondern ein stabiler Überrest verbleibt. Diese Ergebnisse sind in [202, 203, 205] veröffentlicht worden.
In this thesis the first fully integrated Boltzmann+hydrodynamics approach to relativistic heavy ion reactions has been developed. After a short introduction that motivates the study of heavy ion reactions as the tool to get insights about the QCD phase diagram, the most important theoretical approaches to describe the system are reviewed. To model the dynamical evolution of the collective system assuming local thermal equilibrium ideal hydrodynamics seems to be a good tool. Nowadays, the development of either viscous hydrodynamic codes or hybrid approaches is favoured. For the microscopic description of the hadronic as well as the partonic stage of the evolution transport approaches have beeen successfully applied, since they generate the full phse-space dynamics of all the particles. The hadron-string transport approach that this work is based on is the Ultra-relativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) approach. It constitutes an effective solution of the relativistic Boltzmann equation and is restricted to binary collisions of the propagated hadrons. Therefore, the Boltzmann equation and the basic assumptions of this model are introduced. Furthermore, predictions for the charged particle multiplicities at LHC energies are made. The next step is the development of a new framework to calculate the baryon number density in a transport approach. Time evolutions of the net baryon number and the quark density have been calculated at AGS, SPS and RHIC energies and the new approach leads to reasonable results over the whole energy range. Studies of phase diagram trajectories using hydrodynamics are performed as a first move into the direction of the development of the hybrid approach. The hybrid approach that has been developed as the main part of this thesis is based on the UrQMD transport approach with an intermediate hydrodynamical evolution for the hot and dense stage of the collision. The initial energy and baryon number density distributions are not smooth and not symmetric in any direction and the initial velocity profiles are non-trivial since they are generated by the non-equilibrium transport approach. The fulll (3+1) dimensional ideal relativistic one fluid dynamics evolution is solved using the SHASTA algorithm. For the present work, three different equations of state have been used, namely a hadron gas equation of state without a QGP phase transition, a chiral EoS and a bag model EoS including a strong first order phase transition. For the freeze-out transition from hydrodynamics to the cascade calculation two different set-ups are employed. Either an in the computational frame isochronous freeze-out or an gradual freeze-out that mimics an iso-eigentime criterion. The particle vectors are generated by Monte Carlo methods according to the Cooper-Frye formula and UrQMD takes care of the final decoupling procedure of the particles. The parameter dependences of the model are investigated and the time evolution of different quantities is 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 flow values at SPS energies are shown to be in line with an ideal hydrodynamic evolution if a proper initial state is used and the final freeze-out proceeds gradually. The hybrid model calculation is able to reproduce the experimentally measured integrated as well as transverse momentum dependent $v_2$ values for charged particles. The multiplicity and mean transverse mass excitation function is calculated for pions, protons and kaons in the energy range from $E_{\rm lab}=2-160A~$GeV. It is observed that the different freeze-out procedures have almost as much influence on the mean transverse mass excitation function as the equation of state. The experimentally observed step-like behaviour of the mean transverse mass excitation function is only reproduced, if a first order phase transition with a large latent heat is applied or the EoS is effectively softened due to non-equilibrium effects in the hadronic transport calculation. The HBT correlation of the negatively charged pion source created in central Pb+Pb collisions at SPS energies are investigated with the hybrid model. It has been found that the latent heat influences the emission of particles visibly and hence the HBT radii of the pion source. The final hadronic interactions after the hydrodynamic freeze-out are very important for the HBT correlation since a large amount of collisions and decays still takes place during this period.
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.
This dissertation is devoted to the study of thermodynamics for quantum gauge theories.The poor convergence of quantum field theory at finite temperature has been the main obstacle in the practical applications of thermal QCD for decades. In this dissertation I apply hard-thermal-loop perturbation theory, which is a gauge-invariant reorganization of the conventional perturbative expansion for quantum gauge theories to the thermodynamics of QED and Yang-Mills theory to three-loop order. For the Abelian case, I present a calculation of the free energy of a hot gas of electrons and photons by expanding in a power series in mD/T, mf /T and e2, where mD and mf are the photon and electron thermal masses, respectively, and e is the coupling constant.I demonstrate that the hard-thermal-loop perturbation reorganization improves the convergence of the successive approximations to the QED free energy at large coupling, e ~ 2. For the non-Abelian case, I present a calculation of the free energy of a hot gas of gluons by expanding in a power series in mD/T and g2, where mD is the gluon thermal mass and g is the coupling constant. I show that at three-loop order hard-thermal-loop perturbation theory is compatible with lattice results for the pressure, energy density, and entropy down to temperatures T ~ 2 - 3 Tc. The results suggest that HTLpt provides a systematic framework that can be used to calculate static and dynamic quantities for temperatures relevant at LHC.
The goal of this project is to develop a framework for a cell that takes in consideration its internal structure, using an agent-based approach. In this framework, a cell was simulated as many sub-particles interacting to each other. This sub-particles can, in principle, represent any internal structure from the cell (organelles, etc). In the model discussed here, two types of sub-particles were used: membrane sub-particles and cytosolic elements. A kinetic and dynamic Delaunay triangulation was used in order to define the neighborhood relations between the sub-particles. However, it was soon noted that the relations defined by the Delaunay triangulation were not suitable to define the interactions between membrane sub-particles. The cell membrane is a lipid bilayer, and does not present any long range interactions between their sub-particles. This means that the membrane particles should not be able to interact in a long range. Instead, their interactions should be confined to the two-dimensional surface supposedly formed by the membrane. A method to select, from the original three-dimensional triangulations, connections restricted to the two-dimensional surface formed by the cell membrane was then developed. The algorithm uses as starting point the three-dimensional Delaunay triangulation involving both internal and membrane sub-particles. From this triangulation, only the subset of connections between membrane sub-particles was considered. Since the cell is full of internal particles, the collection of the membrane particles' connections will resemble the surface to be obtained, even though it will still have many connections that do not belong to the restricted triangulation on the surface. This "thick surface" was called a quasi-surface. The following step was to refine the quasi-surface, cutting out some of the connections so that the ones left made a proper surface triangulation with the membrane points. For that, the quasi-surface was separated in clusters. Clusters are defined as areas on the quasi-surface that are not yet properly triangulated on a two-dimensional surface. Each of the clusters was then re-triangulated independently, using re-triangulation methods also developed during this work. The interactions between cytosolic elements was given by a Lennard-Jones potential, as well as the interactions between cytosolic elements and membrane particles. Between only membrane particles, the interactions were given by an elastic interaction. For each particle, the equation of motion was written. The algorithm chosen to solve the equations of motion was the Verlet algorithm. Since the cytosol can be approximated as a gel, it is reasonable to suppose that the sub-cellular particles are moving in an overdamped environment. Therefore, an overdamped approximation was used for all interactions. Additionally, an adaptive algorithm was used in order to define the size of the time step used in each interaction. After the method to re-triangulate the membrane points was implemented, the time needed to re-triangulate a single cluster was studied, followed by an analysis on how the time needed to re-triangulate each point in a cluster varied with the cluster size. The frequency of appearance for each cluster size was also compared, as this information is necessary to guarantee that the total time needed by to re-triangulate a cell is convergent. At last, the total time spent re-triangulating a surface was plotted, as well as a scaling for the total re-triangulation time with the variation. Even though there is still a lot to be done, the work presented here is an important step on the way to the main goal of this project: to create an agent-based framework that not only allows the simulation of any sub-cellular structure of interest but also provides meaningful interaction relations to particles belonging to the cell membrane.
The theory of strong interactions — Quantum Chromodynamics (QCD) — is well-defined mathematically. However, direct applications of this theory to experiment are rather limited due to significant technical obstacles. Even some general features of QCD remain unclear to date.
Hence, phenomenological input is important and needed for practical applications, e.g. for theoretical analysis of the heavy-ion collision experiments. In this thesis the role of hadronic interactions is studied in the hadron resonance gas (HRG) model — a popular model for the confined phase of QCD. The description of hadronic interactions is based on the famous van der Waals (VDW) equation and its quantum statistical generalization. While this is not the conventional choice for nuclear/hadronic physicspplications, the simplicity of the VDW approach makes it extremely useful.
In particular, this framework allows to include the two most basic ingredients of hadron-hadron interaction: the short-range repulsion, modeled by excluded-volume (EV) corrections, and the intermediate range attraction. The first part of the thesis considers just the repulsive EV interactions between hadrons. A hitherto unknown, but surprisingly strong sensitivity of the long known thermal fits to heavy-ion hadron yield data to the choice of hadron eigenvolumes is uncovered. It challenges the robustness of the chemical freeze-out temperature and baryochemical potential determination from the thermal fits. However, at the same time, the extracted value of the entropy per baryon is found to be a robust observable which depends weakly on this systematic uncertainty of the HRG model.
A Monte Carlo procedure to treat EV interactions in HRG is also introduced in this thesis. It allows to study simultaneous effects of EV and of exact charge conservation in HRG for the first time. Generalizations of the classical VDW equation are required for its applications in hadronic physics. he grand canonical ensemble (GCE) formulation of the classical VDW equation is presented. Remarkably, this important aspect of the VDW equation was not discovered before. The GCE formulation yields the analytic structure of the critical fluctuations, both in the vicinity of and far off the critical point. These critical fluctuations are presently actively being used as probes for the QCD critical point. Another extension is the hitherto undiscovered generalization of the VDW equation to include quantum Bose-Einstein and Fermi-Dirac statistics. It is performed for both single-component and multi-component fluids. The Fermi-Dirac VDW equation is applied for the first time. It is used to describe nucleons and basic properties of nuclear matter. The quantum statistical generalization of the VDW equation developed in this work is quite general, and can be applied for any fluid. Thus, its applications are not restricted to QCD physics, but may also find themselves in chemistry and/or industry. The quantum statistical VDW equation is used to describe baryonic interactions in full HRG. The VDW parameters $a$ and $b$ are fixed to the nuclear ground state and the predictions of the model are confronted with lattice QCD calculations. The inclusion of baryonic interactions leads to a qualitatively different behavior of the fluctuations of conserved charges in the crossover region. In many cases it resembles the lattice data. These results suggest that hadrons do not melt quickly with increasing temperature, as one could conclude on the basis of the common simple ideal HRG model. Calculations at finite chemical potentials show that the nuclear liquid-gas transition manifests itself by non-trivial fluctuations of the net baryon number in heavy ion collisions. In the final part of the thesis the pure glue initial scenario for high-energy hadron and heavy-ion collisions is explored. This scenario is shown not to spoil the existing agreement of the hadronic and electromagnetic observables description in Pb+Pb collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider. Hydrodynamic calculations suggest that collisions of small-sized nuclei at lower collision energies available at the BNL Relativistic Heavy Ion Collider are promising in the search for the traces of the chemically non-equilibrium gluon-dominated phase transition.
This thesis deals with the phenomenology of QCD matter, its aspects in heavy ion collisions and in neutron stars. The first half of the work focuses on the hadronic phase of QCD matter. One focus is on how the hadronic phase shows itself in heavy ion collisions and how its dynamics can be simulated. The role of hadronic interactions is considered in the context of the lattice QCD data. The second part of this thesis presents a unified approach to QCD matter, the CMF model. The CMF model incorporates many aspects of QCD phenomenology which allows for a consistent description of the hadron-quark transition, making it applicable to the entire QCD phase diagram, i.e., to the cold nuclear matter and to the hot QCD matter. It is shown that a description of both the hot matter created in heavy ion collisions and the cold dense matter in neutron star interiors is possible within one single approach, the CMF model.
The main subject of this thesis is the study of hadron and photon production in relativistic heavy-ion collisions by means of hydrodynamics+transport approaches. Two different kinds of such hybrid approaches are employed in this work, the SMASH-vHLLE-hybrid and a MUSIC+SMASH hybrid. While the former is capable of simulating heavy-ion collisions covering a wide range of collision energies down to √s = 4.3 GeV, reproducing the correct baryon stopping powers, the latter provides a framework to consistently model photon production in the hadronic stage of high-energy heavy-ion collisions.
The SMASH-vHLLE-hybrid is a novel state-of-the-art hybrid approach whose development constitutes a major contribution to this thesis. It couples the hadronic transport SMASH to the 3+1D viscous hydrodynamics approach vHLLE. Therein, SMASH is employed to provide the fluctuating 3D initial conditions and to model the late hadronic rescattering stage, and vHLLE for the fluid dynamical evolution of the hot and dense fireball. The initial conditions are provided on a hypersurface of constant proper time, and the macroscopic evolution of the fireball is carried out down to an energy density of ecrit = 0.5 GeV/fm3, where particlization occurs. Consistency at the interfaces is verified in view of global, on-average quantum number conservation and the SMASH-vHLLE-hybrid is validated by comparison to SMASH+CLVisc as well as UrQMD+vHLLE hybrid approaches. The establishment of the SMASH-vHLLE-hybrid to theoretically describe heavy-ion collisions at intermediate and high collision energies forms a basis for a range of extensions and future research projects. It is further made available to the heavy-ion community by virtue of being published on Github.
The SMASH-vHLLE-hybrid is applied to simulate Au+Au/Pb+Pb collisions between √s = 4.3 GeV and √s = 200.0 GeV. A good agreement with the experimentally measured rapidity and transverse mass spectra is obtained. In particular the baryon stopping dynamics are well reproduced at low, intermediate, and high collision energies. Excitation functions for the mid-rapidity yield and mean transverse momentum of pions, protons and kaons are demonstrated to agree well with their experimentally measured counterpart. These results further validate the approach and provide a solid baseline for potential future studies. The importance of annihilations and regenerations of protons and anti-protons is additionally investigated in Au+Au/Pb+Pb collisions between √s = 17.3 GeV and √s = 5.02 TeV with the SMASH-vHLLE-hybrid. It is found that, regarding the p + p ̄ ↔ 5 π reaction, 20-50% (depending on the rapidity range) of the (anti-)proton yield lost to annihila- tions in the hadronic rescattering stage is restored owing to the back reaction. The back reaction thus constitutes a non-negligible contribution to the final (anti-)proton yield and should not be neglected when modelling the late rescattering stage of heavy-ion collisions.
The MUSIC+SMASH hybrid is a hybrid approach ideally suited to model the production of photons in relativistic heavy-ion collisions. Therein, the macroscopic production of photons in the hadronic stage in MUSIC relies on the identical effective field theories as the photon cross sections implemented in SMASH for the microscopic production. The MUSIC+SMASH hybrid thus provides the first consistent framework to the end of hadronic photon production. It accounts for 2 → 2 scattering processes of the kind π + ρ → π + γ and pion bremsstrahlung processes π + π → π + π + γ. The MUSIC+SMASH hybrid is employed in an ideal 2D setup to systematically assess the importance of non-equliibrium dynamics in the hadronic rescattering stage on mid-rapidity transverse momentum spectra and elliptic flow of photons at RHIC/LHC energies. This is achieved by comparing the outcome of the MUSIC+SMASH hybrid, involving an out-of-equilibrium late rescattering stage, to macroscopically approximating late stage photon production by means of MUSIC, employed down to temperatures well below the switching temperature. It is found that non-equilibrium dynamics have only minor implications for photon transverse momentum spectra, but significantly enhance the photon elliptic flow. At RHIC energies, an enhancement of up to 70%, and at LHC of up to 65% is observed in the non-equilibrium afterburner as compared to its hydrodynamical counterpart. In combination with the large amount of photons produced above the particlization temperature, these differences are modest regarding the transverse momentum spectra, but a significant enhancement of the elliptic flow is observed at low transverse momenta. Below pT ≈ 1.4 GeV, the combined v2 is enhanced by up to 30% at RHIC, and up to 20% at the LHC within the non-equilibrium setup as compared to its approximation via hydrodynamics. Non-equilibrium dynamics in the hadronic rescattering stage are hence important, especially in view of momentum anisotropies at low transverse momenta. These findings thus contribute to the understanding of low-pT photons produced in heavy-ion collisions at RHIC/LHC energies and the MUSIC+SMASH hybrid employed for this study provides a baseline for additional studies regarding photon production in the future.
To summarize, the approaches and frameworks presented in this thesis provide a good baseline for further extensions and studies in order to improve the understanding of hadron and photon production in relativistic heavy-ion collisions across a wide range of collision energies. More broadly, such future studies of hadrons and photons may contribute to enhance the understandig of the properties of the fundamental building blocks of matter, of which everything that surrounds us is made of.
This thesis presents various algorithms which have been developed for on-line event reconstruction in the CBM experiment at GSI, Darmstadt and the ALICE experiment at CERN, Geneve. Despite the fact that the experiments are different — CBM is a fixed target experiment with forward geometry, while ALICE has a typical collider geometry — they share common aspects when reconstruction is concerned.
The thesis describes:
— general modifications to the Kalman filter method, which allows one to accelerate, to improve, and to simplify existing fit algorithms;
— developed algorithms for track fit in CBM and ALICE experiment, including a new method for track extrapolation in non-homogeneous magnetic field.
— developed algorithms for primary and secondary vertex fit in the both experiments. In particular, a new method of reconstruction of decayed particles is presented.
— developed parallel algorithm for the on-line tracking in the CBM experiment.
— developed parallel algorithm for the on-line tracking in High Level Trigger of the ALICE experiment.
— the realisation of the track finders on modern hardware, such as SIMD CPU registers and GPU accelerators.
All the presented methods have been developed by or with the direct participation of the author.
The putative effects of dark matter are most easily explained by a collisionless fluid on cosmological scales and by Modified Newtonian Dynamics (MOND) on galactic scales. Hybrid MOND dark matter models combine the successes of dark matter on cosmological scales and those of MOND on galactic scales. An example of such a model is superfluid dark matter (SFDM) which postulates that this differing behavior with scale is caused by a single underlying substance with two phases. In this thesis, I highlight successful observational tests of SFDM regarding strong lensing and the Milky Way rotation curve. I also discuss three problems due to the double role of the aforementioned single underlying substance and show how these may be avoided. Finally, I introduce a novel Cherenkov radiation constraint for hybrid MOND dark matter models. This constraint is different from standard modified gravity Cherenkov radiation constraints because such hybrid models allow even non-relativistic objects like stars to emit Cherenkov radiation.
Quantum chromodynamics predicts the existence of a phase transition from hadronic to quark-gluon matter when temperature and pressure are sufficiently high. Colliding heavy nuclei at ultra-relativistic speeds allows to deposit large amounts of energy in a small volume of space, and is the only available experimental mean to produce the extreme conditions necessary to obtain the deconfined state. Numerous models and ideas were developed in the last decades to study heavy ion physics and understand the properties of extremely heated and compressed nuclear matter. With the ever increasing energy available in the center of mass frame (and thus number of particles produced) and the development of large acceptance detectors, it has become possible to study the fluctuations of physical quantities on an event-by-event basis, and access thermodynamical properties not present in particle spectra. The characteristics of the highly excited matter produced, e.g. thermalization, effect of resonance decay. . . can be investigated by fluctuation analyses. In fact, fluctuations are good indicators for a phase transition and a plethora of fluctuation probes have been proposed to pin down the existence and the properties of the QGP. We study various fluctuation quantities within the Ultra-relativistic Quantum Molecular Dynamics UrQMD and the quantum Molecular Dynamics qMD models. UrQMD is based on hadron and string degrees of freedom and allows to disentangle purely hadronic effects. In contrast, the qMD model includes an explicit transition from quark to hadronic matter and can serve to test adequate probes of the initial QGP state. We show that the qMD model can reasonably reproduce various experimental particles rapidity distributions and transverse mass spectra in wide energy range. Within the frame of the dynamical recombination procedure used in qMD, we study the enhancement of protons over pions (p/π) ratio in the intermediate pt range (1.5 < pt < 2.5). We show that qMD can reproduce the large p/π ≈ 1 observed experimentally at RHIC energies at hadronization. However, the subsequent decay of resonances makes the ratio fall to values incompatible with experimental data. We thus conclude that resonance decay might have a drastic influence on this observable in the quark recombination picture. Charged particles multiplicity fluctuations measured at SPS by the NA49 collaboration are enhanced in midperipheral events for Pb+Pb collisions at Elab = 160 AGeV. This feature is not reproduce by hadron-string transport approaches, which show a flat centrality dependence, within the proper experimental acceptance and with the proper centrality selection procedure. However, we show that the behavior of multiplicity fluctuations in transport codes is similar to the experimental result in full 4π acceptance. We identify the centrality selection procedure as the reason for the enhanced particle multiplicity fluctuations in midperipheral reactions and argue that it can be used to distinguish between different scenarios of particle productions. We show that experimental data might indicate a strong mixing of projectile and target related production sources. Strangeness over entropy K/π and baryon number over entropy p/π ratio fluctuations have been measured by the NA49 experiment in the SPS energy range, from Elab = 20 AGeV up to Elab = 160 AGeV. We investigate the sensitivity of this observable to kinematical cuts and discuss the influence of resonance decay. We find the dynamical p/π ratio fluctuations to increase with beam energy, in agreement with the measured data points. On the contrary, the dynamical K/π ratio fluctuations are essential flat as a function of centrality and depend only weakly on the kinematical cuts applied. Our results are in line with the simulations performed earlier by the NA49 collaboration in their detector acceptance filter. Finally, we focus on the correlations and fluctuations of conserved charges. It was proposed that these fluctuations are sensitive to the fractional charge carried by the quarks in the initial QGP stage and survive the whole course of heavy ion reactions. A crucial point is the influence of hadronization that may relax the initial QGP fluctuation/correlation signals to their hadronic values. We use the quark Molecular Dynamics qMD model to disentangle the effect of recombination-hadronization on charged particles ratio fluctuations, charge transfer fluctuations, baryon number-strangeness correlation coefficient and various ratios of susceptibilities (i.e. correlations over fluctuations). We find that the dynamical recombination procedure implemented in the qMD model destroys all studied initial QGP fluctuations and correlations and might ex- plain why no signal of a phase transition based on event-by-event fluctuations was found in the experimental data until now.
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.
In der vorliegenden Dissertation werden mit einem chiralen SU(3)-Modell die thermodynamischen Eigenschaften von stark wechselwirkender hadronischer Materie und die mikroskopischen Medium-Eigenschaften von Hadronen bei hohen Temperaturen und hohen Baryonen-Dichten untersucht. Das verwendete chirale Modell ist ein erweitertes sigma-omega-Modell in Mittlerer-Feld-Näherung (Mean-Field) mit baryonischen und mesonischen effektiven Freiheitsgraden; es basiert auf spontan gebrochener chiraler Symmetrie und Skaleninvarianz. Das Phasenübergangsverhalten des chiralen Modells wird systematisch untersucht und dabei gezeigt, dass es signifikant von den Kopplungen zusätzlicher schwererer hadronischer Freiheitsgrade ('Resonanzen') abhängt. Durch entsprechende Ankopplung des niedrigsten baryonischen Dekupletts kann ein Phasendiagramm in qualitativer Übereinstimmung mit aktuellen Vorhersagen der Gitter-QCD erreicht werden. Alternativ wird die Ankopplung einer schweren baryonischen Test-Resonanz untersucht, welche effektiv für das Spektrum der schweren hadronischen Zustände steht. Hier ergibt sich für einen bestimmten Bereich der Kopplungen sogar eine quantitative Übereinstimmung zu den Gitter-QCD-Vorhersagen bei gleichzeitig guter Beschreibung der Grundzustandseigenschaften von Kernmaterie. Für diese Zustandsgleichung werden Vorhersagen (innerhalb der Modellannahmen) zu geplanten Experimenten gemacht -- konkret wird gezeigt, dass der Phasenübergangsbereich für das CBM Experiment des geplanten Beschleunigerzentrums FAIR an der GSI Darmstadt experimentell zugänglich ist. Weiter wird das chirale Modell auf die Beschreibung von experimentellen Teilchenzahlverhältnissen (Yield-Ratios) aus Schwerionen-Kollisionen von AGS, SPS und RHIC angewendet. Studiert werden Parametersätze mit stark unterschiedlichen Phasendiagrammen aufgrund unterschiedlicher Ankopplung des baryonischen Dekupletts sowie ein ideales Hadronengas. Bei den niedrigen und mittleren Kollisionsenergien zeigt sich eine verbesserte Beschreibung durch die chiralen Parametersätze im Vergleich zum idealen Hadronengas, besonders deutlich für Parametersätze mit Phasendiagramm ähnlich der Vorhersage aus der Gitter-QCD. Die Wechselwirkung im chiralen Modell führt zu Medium-Modifikationen der chemischen Potentiale und der Hadronenmassen. Die resultierenden Ausfrierparameter mu und T sind deshalb gegenüber dem nichtwechselwirkenden Fall signifikant verändert. An den Ausfrierpunkten zeigen sich deutliche Abweichungen der effektiven Massen von den Vakuummassen (5 bis 15 %) und des effektiven baryo-chemischen Potentials vom ursprünglichen Wert (bis zu 20 %). Ferner werden universelle Kriterien für das Ausfrieren diskutiert und isentrope Expansion zu den Ausfrierpunkten untersucht, wo sich eine starke Abhängigkeit der Trajektorien von der Zustandsgleichung ergibt. Schließlich wird der Einfluss des Dilaton-Felds (Gluonkondensat) auf das Phasenübergangsverhalten bei mu=0 studiert, indem das Gluonkondensat an die Dekuplett-Baryonen gekoppelt wird. Es zeigt sich, dass dadurch eine Restauration der Skaleninvarianz im Modell möglich wird, die gleichzeitig auch eine vollständige Restauration der chiralen Symmetrie bewirkt. Die Restauration der Skaleninvarianz erfolgt erst bei Temperaturen, die oberhalb der chiralen Restauration (im nichtseltsamen Sektor) liegen. Diese Modellerweiterung ermöglicht es, zukünftig das Phasenübergangsverhalten -- Restauration von chiraler Symmetrie und Skaleninvarianz -- auch bei nichtverschwindenden Baryonendichten zu untersuchen. Die Resultate dieser Arbeit zeigen die Wichtigkeit der schweren hadronischen Zustände, der Resonanzen, für das QCD-Phasendiagramm. Für die Zukunft ist eine Ankopplung des gesamten hadronischen Massenspektrums an das Modell erstrebenswert, wie sich sowohl aus der Untersuchung der Modellerweiterung um eine Test-Resonanz als auch aus der Anwendung auf experimentelle Teilchenzahlverhältnisse ergibt.
Artificial intelligence in heavy-ion collisions : bridging the gap between theory and experiments
(2023)
Artificial Intelligence (AI) methods are employed to study heavy-ion collisions at intermediate collision energies, where high baryon density and moderate temperature QCD matter is produced. The experimental measurements of various conventional observables such as collective flow, particle number fluctuations, etc. are usually compared with expensive model calculations to infer the physics governing the evolution of the matter produced in the collisions. Various experimental effects and processing algorithms can greatly affect the sensitivity of these observables. AI methods are used to bridge this gap between theory and experiments of heavy-ion collisions. The problems with conventional methods of analyzing experimental data are illustrated in a comparative study of the Glauber MC model and the UrQMD transport model. It is found that the centrality determination and the estimated fluctuations of the number of participant nucleons suffer from strong model dependencies for Au-Au collisions at 1.23 AGeV. This can bias the results of the experimental analysis if the number of participant nucleons used is not consistent throughout the analysis and in the final model-to-data comparison. The measurable consequences of this model dependence of the number of participant nucleons are also discussed. In this context, PointNet-based AI models are developed to accurately reconstruct the impact parameter or the number of participant nucleons in a collision event from the hits and/or reconstructed track of particles in 10 AGeV Au-Au collisions at the CBM experiment. In the last part of the thesis, different AI methods to study the equation of state (EoS) at high baryon densities are discussed. First, a Bayesian inference is performed to constrain the density dependence of the EoS from the available experimental measurements of elliptical flow and mean transverse kinetic energy of mid rapidity protons in intermediate energy collisions. The UrQMD model was augmented to include arbitrary potentials (or equivalently the EoSs) in the QMD part to provide a consistent treatment of the EoS throughout the evolution of the system. The experimental data constrain the posterior constructed for the EoS for densities up to four times saturation density. However, beyond three times saturation density, the shape of the posterior depends on the choice of observables used. There is a tension in the measurements at a collision energy of about 4 GeV. This could indicate large uncertainties in the measurements, or alternatively the inability of the underlying model to describe the observables with a given input EoS. Tighter constraints and fully conclusive statements on the EoS require accurate, high statistics data in the whole beam energy range of 2-10 GeV, which will hopefully be provided by the beam energy scan programme of STAR-FXT at RHIC, the upcoming CBM experiment at FAIR, and future experiments at HIAF and NICA. Finally, it is shown that the PointNet-based models can also be used to identify the equation of state in the CBM experiment. Despite the uncertainties due to limited detector acceptance and biases in the reconstruction algorithms, the PointNet-based models are able to learn the features that can accurately identify the underlying physics of the collision. The PointNet-based models are an ideal AI tool to study heavy-ion collisions, not only to identify the geometric event features, such as the impact parameter or the number of participant nucleons, but also to extract abstract physical features, such as the EoS, directly from the detector outputs.
Ziel dieser Arbeit war, die Reaktion von biologischen Gewebeproben auf dünn- und dicht-ionisierende Strahlung zu evaluieren. Dafür wurden die Gewebeproben konventioneller Röntgenstrahlung sowie einem ausgedehnten 12C-Ionen Bragg-Peak ausgesetzt. Zur Bestrahlung der biologischen Proben mit 12C wurde mit dem GSI-eigenen Simulationsprogramm TRiP98 ein Tiefendosisprofil eines ausgedehnten Bragg-peaks erstellt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war, dieses Tiefendosisprofil mit drei anderen Simulationsprogrammen (ATIMA, MCHIT, TRIM) zu reproduzieren und zu vergleichen.
ATIMA und TRIM sind allgemeine Programme für den Energieverlust von Ionen in Materie. Sie können das von TRiP98 berechnetet Tiefendosisprofil nur ungenügend reproduzieren, da sie aufgrund fehlender Fragmentierung ein linear ansteigendes Tiefendosisprofil berechnen. Das Monte Carlo-Programm MCHIT, welches speziell für die Wechselwirkung von Ionen mit Materie in medizinischer Anwendung entwickelt wurde, zeigt die beste Übereinstimmung mit der TRiP98-Referenzkurve. Bis auf eine leicht höhere Durchschnittsdosis um 0.1 Gy konnte das Tiefendosisprofil nahezu exakt reproduziert werden.
Die biologischen Proben bestanden aus Schnittkulturen gesunder Maus-Lebern und Explantatkulturen gesunder Maus-Pankreata, um Nebenwirkungen ionisierender Strahlen abzuschätzen. Zusätzlich wurde die Reaktion auf 12C-Bestrahlung in neoplastischem Lebergewebe transgener c-myc/TGF-α Mäuse mit induzierbarem Lebertumor bestimmt. Um eine mögliche Tageszeitabhängigkeit der Gewebereaktion auf die Bestrahlung zu untersuchen, wurden die Schnitt- und Explantatkulturen zu zwei unterschiedlichen Tageszeiten präpariert: zur Mitte des subjektiven Tages und zur Mitte der subjektiven Nacht.
Die Präparate wurden für mehrere Tage auf einer Membran an einer Grenzschicht von Flüssigkeit und Luft kultiviert. Leber- und Pankreaskulturen gesunder C3H wildtyp Mäuse wurden mit einer Dosis von 2 Gy, 5 Gy oder 10 Gy Röntgenstrahlen bestrahlt. Leber- und Pankreaskulturen transgener Mäuse wurden mit ausgedehnten C-Ionen Bragg Peaks gleicher Dosen bestrahlt. Als Kontrolle dienten unbestrahlte Proben. Alle Proben wurden 1 h bzw. 24 h nach der Bestrahlung fixiert und immunhistochemisch auf Marker für Proliferation (Ki67), Apoptose (Caspase3) und DNA- Doppelstrangbrüche (γH2AX) untersucht.
Während die Pankreas-Präparate im Hinblick auf die untersuchten Parameter leider keine auswertbaren Ergebnisse ergaben, zeigten die untersuchten Parameter im gesunden Lebergewebe deutliche Tag-Nacht Unterschiede: die Proliferationsrate war zur Mitte des subjektiven Tages signifikant höher als zur Mitte der subjektiven Nacht. Umgekehrt waren die Raten für DNA-Doppelstrangbrüche zur Mitte der subjektiven Nacht signifikant erhöht. Diese Tag-Nacht Unterschiede ließen sich in neoplastischem Lebergewebe nicht nachweisen. Unabhängig von der Art und Dosis, hatte die Bestrahlung im gesunden Lebergewebe keinen Einfluss auf die untersuchten Parameter. In neoplastischem Lebergewebe hingegen wird die Rate an DNA-Doppelstrangbrüchen durch eine Bestrahlung dosisabhängig erhöht.
Die Auswirkungen ionisierender Strahlen auf das circadiane Uhrwerk wurden in Gewebeproben transgener Per2luc-Mäuse überprüft. Per2luc-Mäuse exprimieren das Enzym Luziferase unter der Kontrolle des Promoters von Per2, einem wichtigen Bestandteil des circadianen Uhrwerks. Daher erlaubt die Analyse dieser Tiere, den circadianen Rhythmus des molekularen Uhrwerks in Leber und anderen Geweben durch Messung der Luziferase-Aktivität in Echtzeit aufzuzeichnen. Wie in Leber- und Nebennierenkulturen dieser Tiere gezeigt werden konnte, führten ioniserende Strahlen dosisabhängig zu einem Phasenvorsprung des circadianen Uhrwerks.
Die Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ionisierende Strahlen das circadiane Uhrwerk verstellen, Proliferation und Apoptose in gesundem Lebergewebe jedoch kaum beeinflussen.
Different numerical approaches and algorithms arising in the context of modelling of cellular tissue evolution are discussed in this thesis. Being suited in particular to off-lattice agent-based models, the numerical tool of three-dimensional weighted kinetic and dynamic Delaunay triangulations is introduced and discussed for its applicability to adjacency detection. As there exists no implementation of a code that incorporates all necessary features for tissue modelling, algorithms for incremental insertion or deletion of points in Delaunay triangulations and the restoration of the Delaunay property for triangulations of moving point sets are introduced. In addition, the numerical solution of reaction-diffusion equations and their connection to agent-based cell tissue simulations is discussed. In order to demonstrate the applicability of the numerical algorithms, biological problems are studied for different model systems: For multicellular tumour spheroids, the weighted Delaunay triangulation provides a great advantage for adjacency detection, but due to the large cell numbers the model used for the cell-cell interaction has to be simplified to allow for a numerical solution. The agent-based model reproduces macroscopic experimental signatures, but some parameters cannot be fixed with the data available. A much simpler, but in key properties analogous, continuum model based on reaction-diffusion equations is likewise capable of reproducing the experimental data. Both modelling approaches make differing predictions on non-quantified experimental signatures. In the case of the epidermis, a smaller system is considered which enables a more complete treatment of the equations of motion. In particular, a control mechanism of cell proliferation is analysed. Simple assumptions suffice to explain the flow equilibrium observed in the epidermis. In addition, the effect of adhesion on the survival chances of cancerous cells is studied. For some regions in parameter space, stochastic effects may completely alter the outcome. The findings stress the need of establishing a defined experimental model to fix the unknown model parameters and to rule out further models.
Analyse der hadronischen Endzustandsverteilungen in ultra-relativistischen Blei-Blei-Kollisionen
(1997)
Die in ultra-relativistischen Schwerionenkollisionen erreichten Dichten und Temperaturen der hochangeregten hadronischen Kernmaterie führen möglicherweise zu einem Übergang in eine partonische Phase ohne Einschluß der Quarks und Gluonen in Hadronen (Quark-Gluon Plasma). Dieser Kontinuumszustand der Quantenchromodynamik wird in der frühen Anfangsphase des Universums bei sehr hohen Temperaturen und im Inneren von Neutronensternen bei einem Vielfachen der Grundzustandsdichte von Kernmaterie erwartet. Im Herbst 1994 wurden am europäischen Kernforschungszentrum CERN im Rahmen des NA49-Experimentes zentrale 208Pb + 208Pb - Kollisionen am SPS bei einer Einschußenergie von 158 GeV pro Nukleon untersucht. Die Daten wurden in einer der Spurendriftkammern (VTPC2) aufgenommen, die zur präzisen Messung des Impulses in einem Magnetfeld positioniert wurde. Aus diesem Datenensemble wurden in dieser Arbeit 61000 Ereignisse in Hinblick auf die Produktion negativ geladener Hadronen (h-) und die Endzustandsverteilungen der an der Reaktion teilnehmenden Nukleonen (Partizipanten) analysiert. Die Phasenraum-Akzeptanz der VTPC2 erstreckt sich für die negativ geladenen Hadronen im Rapiditätsintervall yPi = [3.2 5.0] und für die Netto-Protonen bei yp = [3.0, 4.4] über den Transversalimpuls-Bereich von p..=[0.0 2.0] GeV/c. Die statistischen Fehler der vorgestellten Ergebnisse reduzieren sich durch die große Statistik zu << 1%, die systematischen Fehler der Impulsmessung liegen im Bereich <= 2%. Die Korrektur auf Ineffizienzen des verwendeten Spur-Rekonstruktionsalgorithmus ist mit der lokalen Spurdichte und der Ereignismultiplizität korreliert und trägt wesentlich zum systematischen Fehler bei: für die negativ geladenen Hadronen im Bereich von 5%, für die Netto-Protonen 15-20%. Die Untersuchung der Effekte hoher Raumladungsdichten in verschiedenen Zählgasen der Spurendriftkammern führte zu einer Optimierung der Betriebsparameter der Detektoren und damit zu einer Reduzierung der Zahl saturierter Auslesekanäle. Die erhöhte Effizienz der Spurpunkt-Rekonstruktion verbesserte die Zweispurauflösung auf 100% bei einem mittleren Abstand von 2 cm zwischen zwei benachbarten Spuren, die Ortsauflöosung in der VTPC2 liegt im Bereich von 270-350 Mikrom in longitudinaler und transversaler Richtung und die relative Impulsauflösung beträgt dp/p exp 2 ~ 2 x 10 exp (-4) (GeV/c) exp (-1). Die in zentralen Blei-Blei-Stößen produzierten negativ geladenen Hadronen weisen mittlere Transversalimpulse von <p..> ~ 366 MeV/c bei y Pi = 4.3 bis <p..> ~ 300 MeV/c bei y Pi auf; für die Netto-Protonen fällt der aus dem mittleren Transversalimpuls berechnete Temperaturparameter von 275 MeV bei midrapidity bis zu 230 MeV bei yp = 4.3 ab. Im Vergleich mit anderen Stoßsystemen als Funktion der Anzahl produzierter Teilchen wird ein leichter Anstieg von <p..> beobachtet. Die Rapiditätsabhängigkeit des mittleren Transversalimpulses der produzierten h- in Nukleon-Nukleon- und zentralen Schwefel-Schwefel-Reaktionen ist mit denen der untersuchten Pb-Kollisionen in Form und Breite der Verteilung vergleichbar. Die Analyse der Transversalimpuls-Spektren von h- und (p-anti-p) fürt zu inversen Steigungsparametern von <T Pi> ~ 165 MeV und <T Pi> ~ 255 MeV, die teilweise über der von Hagedorn vorhergesagten Grenztemperatur eines hadronischen Gases liegen. Zudem zeigen die Spektren des invarianten Wirkungsquerschnittes deutliche Abweichungen von dem in einem thermischen Modell erwarteten exponentiellen Verlauf bei kleinen und großen <p..>. Innerhalb eines hydrodynamischen Modells sind diese Abweichungen vom idealen Verlauf mit einer kollektiven transversalen Expansion kompatibel, die mittleren transversalen Flußgeschwindigkeiten betragen <v..> ~ 0.6 c, die Ausfriertemperaturen <T PI, f0> ~ 95 MeV und <T P, f0> ~ 110 MeV. Die im Vergleich zu Nukleon-Nukleon-Stößen in Schwerionenreaktionen erhöhte Produktion von h- bei kleinen Transversalimpulsen wird in allen betrachteten y Pi -Intervallen zu 10-20% bestimmt. Im Gegensatz zu Messungen des NA44-Experimentes mit <h->/<h+> = 1.8 kann aus dem Verhältnis des invarianten Wirkungsquerschnittes von negativ zu positiv geladenen Hadronen bei kleinen transversalen Energien nur eine moderate Erhöhung um <h->/<h+> = 1.2 festgestellt werden, was auf keinen signifikanten Coulomb-Effekt durch eine mitbewegte positive Ladung schließen läßt. Die Erweiterung der Akzeptanz der (p - anti p)-Rapiditätsverteilung in der VTPC2 durch Messungen der MTPC bei großen Rapiditäten führt zu einer mittleren Gesamtmultiplizität von 151 +- 9 an der Reaktion teilnehmenden Protonen pro Ereignis. Der durchschnittliche Rapiditätsverlust der Projektilprotonen beträgt <delta y> = 1.99 +- 0.19, für zentrale Kollisionen des S+S-Systems ergibt sich ein um 20% niedrigerer Wert. Das Verhältnis der Dichte der hochkomprimierten Materie im Reaktionsvolumen zur Grundzustandsdichte von Kernmaterie ist im Rahmen von Modellvorhersagen rho/rho ~ 7.3. Der mittlere Energieverlust pro Nukleon im Schwerpunktsystem wurde bei einer zur Verfügung stehenden Eingangsenergie von sqrt(s) = 8.6 GeV/Nukleon zu <dE> exp (cms) N = 5.4 GeV ermittelt: die Stopping Power ergibt P = 63 %. Aus der Baryonen-Dichte bei midrapidity läßt sich in einem einfachen 2-Flavour Modell das baryo-chemische Potential zu mü-B = 182 MeV berechnen. Die ermittelte Gesamtmultiplizität der h- beträgt 716 +-11, die Breite einer angepaßten Gauß-Verteilung ist mit Rhp -Pi = 1.37 um 40% breiter als die dn/dy-Verteilung einer stationären, thermisch emittierenden Quelle: zusammen mit Messungen der Quellgrößen und einer longitudinalen Expansionsgeschwindigkeit innerhalb der HBT-Analyse ergibt sich das Bild einer elongierten, longitudinal boost-invariant expandierenden Quelle. Die dn/dy-Verteilungen der h- aus <N + N>- und Pb+Pb-Reaktionen zeigen die Andeutung eines Plateaus um die Schwerpunktsrapidität, was auf eine Teilchenproduktion gemäß dem Bjorken-Bild entlang eines zylinderförmigen Reaktionsvolumens schließen läßt. Die Zahl der produzierten negativ geladenen Hadronen pro Partizipant beträgt in den analysierten Ereignissen <h->/<N B - AntiB> = 1.88 und steigt im Vergleich mit den Werten aus den symmetrischen Stßsystemen <N+N> und S+S leicht an. Die im Reaktionsvolumen deponierte Energie aus dem Energieverlust der partizipierenden Nukleonen wird somit nur geringfügig für die erhöhte Produktion von h- verwendet. Die h-Multiplizität als Maß für die System-Entropie zeigt - ebenso wie die im NA35-Experiment gemessenen zentralen S+S-Kollisionen bei 200 GeV pro Nukleon - als Funktion der Einschußenergie der Projektilkerne eine Überhöhung im Vergleich zu Reaktionen bei niedrigeren Energien, was einem möglichen Anstieg der Zahl der Freiheitsgrade und damit der Formation einer partonischen Phase bei ultra-relativistischen Schwerionenkollisionen entsprechen könnte. Aus den Messungen der Netto-Baryonen und der produzierten h- wurde im Bjorken-Bild die Energiedichte im zentralen Reaktionsvolumen zu E = 2.14 GeV/fm exp 3 bestimmt.
This thesis presents a model for the dynamical description of deconfined quark matter created in ultra-relativistic heavy ion collisions, treating quarks and antiquarks as classical point particles subject to a colour-dependent, Cornell-type potential interaction. The model provides a dynamical handle for hadronization via the recombination of quarks and antiquarks in colour neutral clusters. Gluons are not included explicitly in the model,but are described in an effective manner by the means of the potential interaction. The model includes four different quark flavours (up, down, strange and charm) and uses current masses for the quarks. The dynamical evolution of a system of colour charges subject to the Hamiltonian equations of motion of the model yields the formation of colour neutral clusters of quarks and antiquarks, which are subject only to a small remaining interaction, the strong interquark potential notwithstanding. These clusters can be mapped onto hadrons and hadronic resonances. Thus, the model allows a dynamical description of quarks degrees of freedom in heavy ion collisions, including a recombination scheme for hadronization. The thermal properties of the model turn pout to be very satisfying. The model shows a transition from a confining phase to a deconfined phase with rising temperature, going hand in hand with a softest point in the equation of state and a rise of energy density and pressure to the Stefan-Boltzmann limit of a gas of quarks and antiquarks. Moreover, the potential interaction is screened in the deconfined phase. For the dynamical description of ultra-relativistic heavy ion collision, the qMD model is coupled to UrQMD as a generator for its initial conditions. In this way, a fully dynamical description of the expansion and hadronization of the fireball created in such collisions can be achieved. Non-equilibrium aspects of the expansion dynamics and hadronization by recombination of quarks and antiquarks are discussed in detail, and a comparison with experimental data of collisions at the CERN-SPS is presented. The big advantage of the qMD model is the possibility to study cluster formation, including exotic clusters, and fluctuations in a dynamical manner. As an example, event-by-event fluctuations in electric charge are studied. Such fluctuations have been proposed as a clear criterion to distinguish a deconfined system from a hadrons gas. However, experimental data show hadron gas fluctuation measures even at RHIC, where deconfinement is taken for granted. We will see how the dynamics of quark recombination washes out the quark-gluon plasma signal in the fluctuation criterion. Moreover, we will discuss briefly the problem of entropy at recombination. In a second application, the formation of exotic hadronic clusters, larger than usual mesons and baryons, is studied. Such clusters could provide new measures for the thermalization and homogenization of a deconfined gas of colour charges. Moreover, number estimates for exotic clusters from recombination are considerably lower than corresponding predictions from thermal models, providing a clear difference between statistical hadronization and hadronization via quark recombination. A detailed analysis is provided for pentaquark candidates such as the Theta-Plus. It turns out that the distribution of exotic states over strangeness, isospin, and spin could provide a sensitive measure for thermalization and decorrelation in the deconfined quark phase, if it could be measured.
The equation of state (EoS) of matter at extremely high temperatures and densities is currently not fully understood, and remains a major challenge in the field of nuclear physics. Neutron stars harbor such extreme conditions and therefore serve as celestial laboratories for constraining the dense matter EoS. In this thesis, we present a novel algorithm that utilizes the idea of Bayesian analysis and the computational efficiency of neural networks to reconstruct the dense matter equation of state from mass-radius observations of neutron stars. We show that the results are compatible with those from earlier works based on conventional methods, and are in agreement with the limits on tidal deformabilities obtained from the gravitational wave event, GW170817. We also observe that the resulting squared speed of sound from the reconstructed EoS features a peak, indicating a likely convergence to the conformal limit at asymptotic densities, as expected from quantum chromodynamics. The novel algorithm can also be applied across various fields faced with computational challenges in solving inverse problems. We further examine the efficiency of deep learning methods for analyzing gravitational waves from compact binary coalescences in this thesis. In particular, we develop a deep learning classifier to segregate simulated gravitational wave data into three classes: signals from binary black hole mergers, signals from binary neutron star mergers, or white noise without any signals. A second deep learning algorithm allows for the regression of chirp mass and combined tidal deformability from simulated binary neutron star mergers. An accurate estimation of these parameters is crucial to constrain the underlying EoS. Lastly, we explore the effects of finite temperatures on the binary neutron star merger remnant from GW170817. Isentropic EoSs are used to infer the frequencies of the rigidly rotating remnant and are noted to be significantly lower compared to previous estimates from zero temperature EoSs. Overall, this thesis presents novel deep learning methods to constrain the neutron star EoS, which will prove useful in future, as more observational data is expected in the upcoming years.