Nichtperturbative Realzeit-Eigenschaften gluonischer Plasmen

Die Quantenchromodynamik (QCD) ist eine der vier Grundkräfte im Standardmodell der Teilchenphysik und gehört zu den wichtigsten Bausteinen der modernen Physik. Sie beschreibt die Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen, die Kernmaterie (Protonen, Neutronen und andere Hadronen) oder, bei extrem hohen Temperaturen um 1012 C, ein Quark-Gluon-Plasma bilden. Letzterer is ein extremer Aggregatzustand und hat wohl in den frühesten Momenten unseres Universums nach dem Urknall existiert. Auf der Erde entsteht das Quark-Gluon-Plasma in ultrarelativistischen Schwerionen-Kollisionsexperimenten an großen Laboranlagen wie dem Large Hadron Collider (LHC) und dem Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) zu frühen Zeiten nach der Kollision. In diesen Experimenten verhält sich das Plasma nach einer sehr kurzen Zeitspanne von wenigen Yoktosekunden ~1 fm/c 3 10-24 s wie eine nahezu perfekte Flüssigkeit. Direkt nach der Kollision haben erzeugte Quarks und Gluonen nicht die gleiche Energieverteilung wie im thermischen Gleichgewicht und ihre Nichtgleichgewichtszustände können sehr unterschiedliche Eigenschaften haben. Sie zu frühen Zeiten zu verstehen, die zum fluidähnlichen Zustand des Quark-Gluon-Plasmas führen, stellt einen Engpass bei der Analyse von Schwerionenkollisionen dar, von dem aus sich Beschreibungsunsicherheiten und Fehler ausbreiten können. Detaillierte Kenntnisse der Frühzeitdynamik sind nicht nur notwendig, sondern eröffnen auch neue Möglichkeiten. Beispielsweise können Transportkoeffizienten davon beeinflusst werden. Dies sind Zahlen, die Eigenschaften des aktuellen Zustands des Plasmas kodieren und zentrale Bestandteile in phänomenologischen Studien experimenteller Observablen wie schweren Quarks oder hochenergetischen Teilchen (Jets) im Plasma darstellen. Dies kann zu einzigartigen Signaturen der frühen Dynamik bei Schwerionenkollisionen führen. Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, mit nicht-perturbativen Simulationstechniken ein viel tieferes Verständnis der frühen Zeitentwicklung des Quark-Gluon-Plasmas zu gewinnen und ihre experimentell überprüfbaren Signaturen zu finden. Mithilfe von klassisch-statistischen Gittersimulationen bei hohen gluonischen Teilchenzahlen konzentrieren wir uns auf noch nicht ausreichend verstandene nicht-störungstheoretische Eigenschaften des Plasmas. Dazu gehören spektrale Informationen über Quasiteilchen im Plasma, Dynamik von Gluonen auf großen Längenskalen und der Einfluss des Plasmas außerhalb des Gleichgewichts auf Transportkoeffizienten und andere Observablen. Darüber hinaus weist das Plasma unter extremen Bedingungen fern des Gleichgewichts eine universelle selbstähnliche Dynamik auf, die derjenigen von skalaren Feldtheorien stark ähnelt. Im Projekt wollen wir auch diese Universalität hinterfragen und unser Verständnis davon verbessern. Dies eröffnet interdisziplinäre Möglichkeiten, Schwerionenkollisionen mit ultrakalten Atomexperimenten und kosmologischer Inflation zu verbinden.