Quark-Gluon-Plasma Dynamik mit CPIC Simulationen

Ziel des Projekts ist die Simulation des Quark-Gluon-Plasmas (QGP) mit Hilfe von Colored-Particle-in-Cell (CPIC) Simulationen. Die Motivation hierfür liefern grundlegende offene Fragen bezüglich der frühen Dynamik des QGP, wie es in Schwerionenkollisionen am RHIC, am CERN LHC, oder am zukünftigen GSI FAIR erzeugt wird, die mit neuartigen Simulationstechniken behandelt werden können. Hauptziel dieses Projekts ist es unser Wissen über die frühe Dynamik des QGP zu verbessern, das die Entstehung und Entwicklung von Plasmainstabilitäten und deren Rolle in Isotropisierungs- und Thermalisierungsprozessen umfasst. Zu diesem Zweck wird ein neues quelloffenes Software-Framework für CPIC Simulationen erstellt, das bisherige numerische Zugänge, wie viskose hydrodynamische Simulationen, Hard Loop Simulationen, oder klassische Yang-Mills Simulationen, ergänzt oder übertrifft. Das Framework wird auf optimierten Methoden aus fünfzig Jahren Erfahrung mit Particle-in-Cell (PIC) Simulationen, die erfolgreich auf elektromagnetische Plasmen angewendet wurden, aufbauen. In diesem Projekt werden solche Simulationen um eine eichunabhängige Gitterdiskretisierung und Teilchenbeschreibung für die SU(3) Eichgruppe der Quantenchromodynamik erweitert. Während der Kern der Simulation einfach zu implementieren sein wird, werden jüngste Fortschritte bei elektromagnetischen PIC Simulationen, etwa eine Implementierung von Spin, zu fundamental verbesserten CPIC Simulationen führen. Jeder technische Fortschritt wird dabei direkt zu wichtigen Physik-Fragen führen, die behandelt werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir auf bestehende Kompetenz über Quark-Gluon-Plasma Physik und numerische Simulationen am Institut für Theoretische Physik an der TU Wien aufbauen. Dieses Projekt wird die hervorragenden Möglichkeiten des Vienna Scientific Cluster nutzen. Der erwartete Erfolg dieses Projekts wird ein völlig neuartiger Einblick in die Entstehung und Entwicklung von QGP Dynamik. Die dabei entwickelte Software hat Potential für Spin-Offs in anderen Gebieten.

In diesem Projekt haben wir ein neues Framework zur Simulation der frühesten Stadien ultrarelativistischer Schwerionenkollisionen entwickelt. Solche Kollisionen können das Quark- Gluon-Plasma erzeugen, das ein Materiezustand mit derart hohen Energien ist, dass Protonen und Neutronen in ihre Bestandteile, die Quarks und Gluonen, aufgeschmolzen werden. Die Eigenschaften des Quark-Gluon-Plasmas können experimentell an Teilchenbeschleunigern wie RHIC, CERN LHC oder der kommenden GSI FAIR-Anlage untersucht werden. Unser neues Framework ermöglicht einen verbesserten theoretischen Einblick und ein besseres Verständnis des Kollisionsprozesses. Bevor das Quark-Gluon-Plasma gebildet wird, führt der Kollisionsprozess zu einem sogenannten Glasma-Zustand. Dieser Zustand ist durch eine schnelle anisotrope Ausdehnung entlang der Strahlrichtung ausgezeichnet. Frühere Beschreibungen dieses Zustands verwendeten vereinfachende Annahmen und nutzten die Boost-Invarianz, um die Dynamik effektiv auf ein zweidimensionales System zu reduzieren. Hierbei wird angenommen, dass die einlaufenden Kerne aufgrund der relativistischen Lorentz-Kontraktion unendlich dünn sind. Unser neuer Ansatz hebt diese Annahme auf und ermöglicht eine vollständige dreidimensionale Behandlung der einlaufenden Kerne sowie des erzeugten Glasmas. Technisch gesehen erreichen wir diese neue Beschreibung, indem wir eine Simulationstechnik verwenden, die seit den 1950er Jahren auf elektromagnetische Plasmen angewendet wird und als Particle-in-Cell-Simulation bekannt ist. Die Erweiterung dieser Technik auf Teilchen und Felder, die der starken Kernkraft, auch Farbkraft genannt, unterliegen, istdie Colored-Particle-in-Cell-Simulation. Diese erfordert einen Gittereichformalismus, um Eichinvarianz zu gewährleisten. Eine parallelisierte Version unseres Open Source Programms läuft auf dem Vienna Scientific Cluster. Eines unserer überraschenden Ergebnisse ist, dass wir durch Hinzufügen der vollständigen dreidimensionalen Dynamik zeigen konnten, dass die Boost-Invarianz auf eine Art und Weise gebrochen wird, die qualitativ kompatibel mit den experimentellen Ergebnissen ist. Wir hatten auch einen technischen Durchbruch. Durch die Herleitung neuer Bewegungsgleichungen konnten wir das numerische Tscherenkow-Instabilitätsproblem unserer Simulation für eine ausgewählte Richtung lösen. Dies wird noch realistischere Simulationen der frühesten Zeiten ermöglichen und zu einem besseren Verständnis der mikroskopischen Prozesse führen, die den Übergang vom Glasma zum Quark-Gluon- Plasma steuern.