Signaturen des QCD Phasendiagramms

• Antragsteller: Dr. Fabian Rennecke
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389089797

Der Ursprung der Materie und dessen Eigenschaften im heutigen Universum ist eng verknüpft mit dem Verhalten der starken Wechselwirkung unter Einwirkung extrem hoher Temperaturen oder Drücke. Man nimmt heute an, dass sich die Bausteine von Atomkernen und andere sogenannte Hadronen einige Mikrosekunden nach dem Urknall aus den Elementarteilchen der starken Wechselwirkung, den Quarks und Gluonen, geformt haben. Es hat ein Phasenübergang von der Quark-Gluon-Plasma (QGP) Phase zu der uns heute umgebenden hadronischen Materie stattgefunden. Eines der Hauptziele der Erforschung der Quantenchromodynamik (QCD) ist es, die zugrundeliegenden Mechanismen dieses Phasenübergangs zu verstehen um, in Analogie zu Wasser, ein Phasendiagramm der QCD zu erstellen. Die zentralen Eigenschaften der QCD sind hier einerseits das Confinement, welches zur Folge hat, dass Quarks und Gluonen in der Natur nur gebunden vorliegen, etwa in Form von Nukleonen, und andererseits chirale Symmetriebrechung, welche für 98% der Masse der sichtbaren Materie im Universum verantwortlich ist. Man vermutet, dass beide Eigenschaften im QGP nicht bzw. nur teilweise vorliegen. Auf der Erde lässt sich dies nur in Teilchenbeschleunigern durch Schwerionenkollisionen untersuchen. Da im Experiment aber letztendlich keine Quarks und Gluonen direkt gemessen werden können, ist es eine große Herausforderung, Messgrößen zu identifizieren, die Informationen über den Phasenübergang bis in die Teilchendetektoren tragen können. Vielversprechende Signaturen des QCD Phasendiagramms, denen sich dieses Projekt widmet, sind Teilchenzahlverteilungen und Vektormesonen. Erstere gelten als besonders sensitiv auf einen ausgezeichneten Punkt, der sich möglicherweise im Phasendiagramm befindet, an dem die hadronische Phase und das QGP koexistieren. Letztere können wertvolle Information über den Mechanismus der chiralen Symmetriebrechung und damit über den Ursprung der Masse der Materie im Universum liefern. Ziel dieses Projektes ist, es quantitativ aussagekräftige theoretische Beschreibungen zu entwickeln, die es ermöglichen, das Verhalten dieser Signaturen aus der fundamentalen Theorie der starken Wechselwirkung abzuleiten. Ein besonderer Fokus dieses Projektes liegt dabei im Bereich hoher Dichten im Phasendiagram. Dieser wird in aktuellen und zukünftigen Experimenten, etwa am Large Hadron Collider am Cern, dem Relativistic Heavy Ion Collider am Brookhaven National Laboratory oder der sich gerade im Bau befindlichen Facility for Antiproton and Ion Research in Darmstadt, intensiv studiert. Aufgrund großer technischer Herausforderungen in der theoretischen Beschreibung der QCD bei hohen Dichten, ist über diesen Bereich allerdings wenig bekannt. Der erfolgreiche Abschluss dieses Forschungsprojektes erlaubt nicht nur die Interpretation sowie Vorhersagen experimenteller Messungen, sondern birgt auch das Potential zu einem tieferen Verständnis der Mechanismen, die der Entstehung der uns umgebenden Materie zugrunde liegen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Robert D. Pisarski, Ph.D.