Simulation der frühesten Stadien von Schwerionenkollisionen

Mit relativistischen Schwerionenkollisionen kann Materie unter extremen Bedingungen untersucht werden, bei denen die Bestandteile von Protonen und Neutronen, die Quarks und Gluonen, zu einem Quark-Gluon-Plasma verschmelzen. Dieser Aggregatzustand füllte das frühe Universum innerhalb von Mikrosekunden nach dem Urknall aus. Heutzutage kann es in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN oder dem Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) am Brookhaven National Laboratory hergestellt werden. Das Quark-Gluon-Plasma kann nur indirekt über seine Zerfallsprodukte nachgewiesen werden. Daher ist ein gutes theoretisches Verständnis erforderlich, um experimentelle Ergebnisse richtig interpretieren zu können. Eine der bisher überraschenden Entdeckungen war, dass sich das Quark-Gluon-Plasma fast wie eine perfekte Flüssigkeit verhält. Daher kann seine Entwicklung nach seiner Entstehung gut durch hydrodynamische Gleichungen beschrieben werden. Leider sind diese Gleichungen nicht auf den Kollisionsprozess selbst anwendbar. Dessen Dynamik wird durch die starke Kernkraft bestimmt, die im Prinzip durch die Quantenchromodynamik beschrieben werden kann, aber genaue Berechnungen sehr kompliziert macht. Ziel dieses Projekts ist es, unser theoretisches Verständnis der frühesten Stadien der Kollision von Schwerionen zu verbessern. Wir haben dafür ein Programm geschrieben, das den Kollisionsprozess simulieren kann, bevor eine hydrodynamische Beschreibung des Quark-Gluon-Plasmas anwendbar wird. Dies wird durch einen Colored Particle-in-cell Ansatz erreicht, bei dem die starken Farbfelder auf einem Raum-Zeit-Gitter diskretisiert werden. Bei ultrarelativistischen Energien werden die schweren Ionen durch Lorentz-Kontraktion flach zusammengedrückt. In traditionellen Ansätzen wird dies ausgenützt, um einige der Gleichungen zu vereinfachen und nur die transversale Dynamik zu simulieren. Mit unserem Ansatz können wir die volle Längsdynamik der Kollision auflösen. Dies ist mit einem sehr hohen Rechenaufwand verbunden, so dass unsere Simulationen am Vienna Scientific Cluster (VSC) durchgeführt werden müssen. Mit unseren Simulationen wollen wir den Einfluss der frühen Stadien auf verschiedene Observablen von Schwerionenkollisionen systematisch untersuchen. Insbesondere wollen wir unsere dreidimensionalen Simulationsergebnisse mit der späteren hydrodynamischen Phase des Quark- Gluon-Plasmas verbinden. Außerdem wollen wir den Einfluss der frühen Zeitdynamik auf extrem hochenergetische Teilchen untersuchen, die während des Kollisionsprozesses entstehen und in Form von sogenannten Jets in Teilchendetektoren nachgewiesen werden können. Schließlich wollen wir unser Verständnis der Wirkung von Quantenvakuumfluktuationen auf den Entstehungsprozess vertiefen. Mit unserem Projekt wollen wir tiefere Einblicke in die mikroskopische Natur der Isotropisierung und Thermalisierung bei der Bildung des Quark-Gluon-Plasmas gewinnen.