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In den vergangen Jahren wurde erkannt, dass eine Quantenfeldtheorie (QFT) namens Quantenchromodynamik (QCD) die richtige Theorie der starken Wechselwirkungen ist. QCD beschreibt erfolgreich die starken Wechselwirkungen, die Quarks zu Nukleonen und Nukleonen zu Atomkernen zusammenbinden. Jedoch ist die theoretische Beschreibung vieler Phänomene der starken Wechselwirkung aufgrund des starken Kopplungsverhaltens bei niedrigen Energien schwierig. Stoßexperimente mit Schwerionen sind ein möglicher Weg, um die charakteristischen Phänomene und Eigenschaften der QCD-Materie zu untersuchen. In Stoßexperimenten mit Schwerionen werden schwere (d.h. große) Atomkerne aufeinander geschossen, beispielsweise Gold (am RHIC) oder Blei (am CERN, LHC), mit einer ultrarelativistischen Energie √s im Schwerpunktsystem. Auf diese Art ist es möglich, eine große Menge von Materie mit hoher Energiedichte hervorzubringen. Das Ziel von Schwerionenkollisionen ist die Erzeugung und Charakterisierung einer makroskopischen Phase von freien Quarks und Gluonen im lokalen thermischen Gleichgewicht. Ein solcher Aggregatzustand kann neue Informationen über das QCD-Phasendiagramm und den QCD-Phasenübergang liefern. Man nimmt an, dass ein solcher Übergang stattfand, als sich die Materie des frühen Universums von einem Plasma aus Quarks und Gluonen (QGP) in ein Gas von Hadronen umwandelte...
In this doctoral thesis the transformation from relativistic hydrodynamics to transport and vice versa is studied. Approximations made by hybrid (hydrodynamics + transport) simulations of relativistic heavy ion collisions are discussed and their reliability is assessed at intermediate collision energies. A new method to simulate heavy ion collisions is suggested, based on the forced thermalization in high-density regions.
Compact stars can be treated as the ultimate laboratories for testing theories of dense matter. They are not only extremely dense objects, but they are known to be associated with strong magnetic fields, fast rotation and, in certain cases, with very high temperatures. Here, we present several different approaches to model numerically the signatures and properties of these stars, namely:
•The effects of strong magnetic fields on hybrid stars by using a fully general relativistic approach. We solved the coupled Maxwell-Einstein equations in a self-consistent way, taking into consideration the anisotropy of the energy-momentum tensor due purely to the magnetic field, magnetic field effects on equation of state and the interaction between matter and the magnetic field (magnetization). We showed that the effects of the magnetization and the magnetic field on the equation of state for matter do not play an important role on global properties of neutron stars (only the pure magnetic _eld contribution does). In addition, the magnetic field breaks the spherical symmetry of stars, inducing major changes in the populated degrees of freedom inside these objects and, potentially, converting a hybrid star into a hadronic star over time.
•The effects of magnetic fields and rotation on the structure and composition of proto-neutron stars. We found that the magnetic field not only deforms these stars, but also significantly alters the number of trapped neutrinos in the stellar interior, together with the strangeness content and temperature in each evolution stage from a hot proto-neutron star to a cold neutron star.
•The influence of the quark-hadron phase transitions in neutron stars. In particular, previous calculations have shown that fast rotating neutron stars, when subjected to a quark-hadron phase transition in their interiors, could give rise to the backbending phenomenon characterized by a spin-up era. In this work, we obtained the interesting backbending phenomenon for fast spinning neutron stars. More importantly, we showed that a magnetic field, which is assumed to be axisymmetric and poloidal, can also be enhanced due to the phase transition from normal hadronic matter to quark matter on highly magnetized neutron stars. Therefore, in parallel to the spin-up era, classes of neutron stars endowed with strong magnetic fields may go through a `magnetic-up era' in their lives.
•Finally, we were also able to calculate super-heavy white dwarfs in the presence of strong magnetic fields. White dwarfs are the progenitors of supernova Type Ia explosions and they are widely used as candles to show that the Universe is expanding and accelerating. However, observations of ultraluminous supernovae have suggested that the progenitor of such an explosion should be a white dwarf with mass above the well-known Chandrasekhar limit ~ 1.4 M. In corroboration with other works, but by using a fully general relativistic framework, we obtained also strongly magnetized white dwarfs with masses M ~ 2:0 M.
In thesis I investigate the possibility that at the smallest length scale (Planck scale) the very notion of "dimension" needs to be revisited. Due to "quantum effects" spacetime might become very turbulent at these scales and properties like those of "fractals" emerge, including a "scale dependent dimension". It seems that this "spontaneous dimensional reduction" and the appearance of a minimal physical length are very general effects that most approaches to quantum gravity share. Main emphasis is given to the"spectral dimension" and its calculation for strings and p-branes.
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.
In this work we provided additional insights into our understanding of bulk QCD matter through the study of the transport coeffcients which govern the non-equilibrium microscopical processes of statistical ensembles. Specically, we focused on the low energy regime corresponding to the hadron gas, as the properties of this region of the phase diagram are still relatively unknown, and existing calculations for the transport coeffcients are either scarce, contradictory, or somewhat limited in scope; this thesis' main goal was thus to shed some light on this by providing new independent calculations of these quantities.
We subsequently presented two formalisms which can be used to calculate transport coeffcients. The first one (which also was the main tool we used in the following chapters to produce our results) relies on the development of so-called Green-Kubo formulas, which relate non-equilibrium dissipative fluctuations with transport coeffcients; notably, the off-diagonal components of the energy-momentum tensor are shown to be related to the shear viscosity, its diagonal components to the bulk viscosity and fluctuations in the electric current can be related to the electric conductivity. We additionally introduced two new conductivities, namely the baryon-electric and strange electric conductivities, which we dubbed, together with the already known electric one, the "cross-conductivity", which encodes information about how electric fluctuations are correlated to changes in electric, baryonic or strange currents, or vice-versa. The second way of calculating transport coeffcient which we discussed consists in linearizing the collision term of the Boltzmann equation through the Chapman-Enskog formalism. While in principle providing direct semi-analytical results for the transport coeffcients, this approach is complicated to implement when more than a few species are considered, and as such was then mostly used as a tool to calibrate our Green-Kubo calculations.
The hadron gas model that we used for all calculations, namely the transport approach SMASH, was then presented. The main features of the model were explained, such as the collision criterion, the considered degrees of freedom and the specific way in which they microscopically interact with each other. It was verified that SMASH does reproduce analytical results of the Boltzmann equation in an expanding universe scenario, thus showing the equivalence of this transport approach and the associated kinetic theory results. A special care was taken to detail the ways in which a state of thermal and chemical equilibrium (which is necessary for Green-Kubo relations to be valid) can be reached and described using SMASH.
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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.
Ziel dieser Dissertation ist es, die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Eigenschaften des stark wechselwirkenden QGP-Mediums nahe dem Phasenübergang unter extremen Bedingungen von hohen T und hohen Baryonendichten mit Hilfe der kinetischen Theorie im Rahmen von effektiven Modellen zu untersuchen. Wir werden zunächst die thermodynamischen und Transporteigenschaften des QGPs in der Nähe des Gleichgewichts auf der Basis des DQPM im Bereich moderater chemischer Baryonenpotentiale μB ≥ 0.5 GeV untersuchen. Insbesondere werden die EoS und die Schallgeschwindigkeit sowie die Transportkoeffizienten des QGP auf der Grundlage des DQPM bei endlichen T und μB berechnet. Transportkoeffizienten sind besonders interessant, da sie Informationen über die Wechselwirkungen im Medium erlauben, das im Gleichgewicht durch eine Temperatur T und ein chemisches Potential μB charakterisiert werden kann. Unter Berücksichtigung der Transportkoeffizienten und der EoS der QGP-Phase vergleichen wir unsere Ergebnisse mit verschiedenen Resultaten aus der Literatur, in denen Transportkoeffizienten des QGPs auf Basis von effektiven Modellen vorwiegend bei Null oder kleinem chemischen Potentialen untersucht wurden.
Darüber hinaus werden in Kapitel 3 die Gleichgewichtseigenschaften des QGPs und insbesondere die Auswirkungen der μB-Abhängigkeit der thermodynamischen und Transporteigenschaften des QGPs im Rahmen des erweiterten PHSD-Transportansatzes untersucht, der die vollständige Entwicklung des Systems einschließlich der partonischen Phase umfasst. Die Entwicklung des PHSD-Transportansatzes wird in der partonischen Phase erweitert, indem explizit die gesamt- und differentiellen partonischen Streuquerschnitte auf der Grundlage des DQPM berechnet und bei der tatsächlichen Temperatur T und dem baryonischen chemischen Potential μB in jeder einzelnen Raum-Zeit-Zelle, in der die partonische Streuung stattfindet, ausgewertet werden.
Um die Spuren der μB-Abhängigkeit des QGPs in den Observablen zu untersuchen, werden die Ergebnisse von PHSD5.0 (mit μB-Abhängigkeiten) mit den Ergebnissen von PHSD5.0 für μB = 0 sowie mit PHSD4.0, in dem die Massen/Breiten der Quarks und Gluonen sowie deren Wechselwirkungsquerschnitte nur von T abhängen, verglichen. Wir diskutieren die PHSD-Ergebnisse für verschiedene Observablen: (i) Rapiditäts- und pT -Verteilungen von identifizierten Hadronen für symmetrische Au+Au- und Pb+Pb- Kollisionen bei Energien von 30 AGeV (zukünftige NICA-Energie) sowie für die RHIC-Spitzenenergie von √sNN = 200 GeV; (ii) gerichteter Fluss v1 von identifizierten Hadronen für Au + Au bei invarianter Energie √sNN = 27 GeV und 200 GeV; (iii) elliptischer Fluss v2 der identifizierten Hadronen für Au+Au bei invarianten Energien √sNN = 27 und 200 GeV. Der Vergleich der "Bulk"-Observablen für Au+Au-Kollisionen innerhalb der drei PHSD-Einstellungen hat gezeigt, dass sie eine recht geringe Empfindlichkeit gegenüber den μB -Abhängigkeiten der Partoneigenschaften (Massen und Breiten) und ihrer Wechselwirkungsquerschnitte aufweisen, sodass die Ergebnisse von PHSD5.0 mit und ohne μB sehr nahe beieinander liegen. Nur im Fall von Kaonen, Antiprotonen ̄p und Antihyperonen ̄Λ + ̄Σ0 konnte ein kleiner Unterschied zwischen PHSD4.0 und PHSD5.0 bei den höchsten SPS- und RHIC-Energien festgestellt werden.
Wir finden nur geringe Unterschiede zwischen den Ergebnissen von PHSD4.0 und PHSD5.0 für die hier betrachteten hadronischen Observablen sowohl bei hohen als auch bei mittleren Energien. Dies hängt damit zusammen, dass bei hohen Energien, wo die Materie vom QGP dominiert wird, ein sehr kleines chemisches Baryonenpotential μB in zentralen Kollisionen bei mittlerer Rapidität gemessen wird, während mit abnehmender Energie und größerem μB der Anteil des QGPs rapide abnimmt, sodass die endgültigen Beobachtungswerte insgesamt von den Hadronen dominiert werden, die an der hadronischen Rückstreuung teilgenommen haben, und somit die Information über ihren QGP-Ursprung verwaschen oder verloren geht.
In Kapitel 4 betrachten wir die Transportkoeffizienten von QGP-Materie im erweiterten Polyakov-NJL-Modell entlang der Übergangslinie für moderate Werte des chemischen Baryonenpotenzials 0 ≤ μB ≤ 0.9 GeV sowie in der Nähe des kritischen Endpunkts(CEP) und bei großem chemischen Baryonenpotenzial μB = 1.2 GeV, wo ein Phasenübergang erster Ordnung stattfindet. Wir untersuchen, wie die Natur der Freiheitsgrade die Transporteigenschaften des QGPs beeinflusst. Darüber hinaus demonstrieren wir die Auswirkungen des Phasenübergangs erster Ordnung und des CEP auf die Transportkoeffizienten im dekonfinierten QCD-Medium.
Darüber hinaus wird in Kapitel 5 eine phänomenologische Erweiterung des DQPM auf große baryonchemische Potentiale μB einschließlich der Region mit einem möglichen CEP und späterem Phasenübergang erster Ordnung betrachtet. Eines der wichtigsten Merkmale des Modells ist das Auftreten einer ’kritischen‘ Skalierung in der Nähe des CEP. Das Hauptziel des vorgestellten Modells besteht darin, die mikroskopischen und makroskopischen Eigenschaften der partonischen Freiheitsgrade für den Bereich des Phasendiagramms bereitzustellen, der durch moderates T und moderates oder hohes μB gekennzeichnet ist.
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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.
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.