Multi-particle interactions in hadronic transport approaches

Abstract

Diese Arbeit behandelt die theoretische Beschreibung der Phasen von Schwerionenkollisionen, in denen das Medium ein Gas aus Hadronen ist. Der gewählte theoretische Ansatz zur Untersuchung des hadronischen Mediums ist ein hadronisches Transportmodell (SMASH). Der Fokus dabei ist die Realisierung und das Studium der Effekte von Mehrteilchenreaktionen in einem solchen Ansatz. Die Frage nach den relevanten mikroskopischen Reaktionen und Eigenschaften der beschriebenen Freiheitsgrade des Hadronengases in Schwerionenkollisionen ist die übergeordnete Frage, der sich gewidmet ist. Basierend auf Untersuchungen zur Dilepton- und Seltsamkeitsproduktion des hadronisches Mediums mit binären Reaktionen, ist diese Frage speziell in Bezug auf hadronische Mehrteilchenreaktionen beantwortet. Hierfür wird der Transportansatz um ein stochastisches Kollisionskriterium erweitert, das auch unter dem Begriff stochastische Raten bekannt ist. Dieses Kriterium erlaubt eine direkte Verallgemeinerung für Mehrteilchenreaktionen. Die theoretische Herleitung der notwendigen Kollisionswahrscheinlichkeiten ist ausgehend vom Kollisionsterm der Boltzmann-Gleichung umfassend dargestellt. Basierend auf dieser Herleitung sind folgende Mehrteilchenreaktionen realisiert: die Rückreaktion von mesonischen Dalitzzerfällen (3-nach-1 Reaktionen), Deuteron-Katalyse (3-nach-2 Reaktionen) und die Rückreaktion von Nukleon-Antinukleon-Annihilation (5-nach-2 Reaktionen). Dies ist der erste Ansatz für stochastische Raten, der 5-Körperreaktionen beschreibt. Zur Überprüfung der Herleitung und der numerischen Umsetzung der Erweiterung des Transportansatzes um stochastischen Raten, inklusive der eingeführten Mehrteilchenreaktionen, sind die Ergebnisse in verschiedenen Testsystemen validiert. Im Fokus ist dabei auch der Vergleich der eingeführten direkten Mehrteilchenreaktion mit mehrstufigen, binären Kettenreaktionen, die eine effektive Beschreibung derselben Reaktion darstellen. In Gleichgewichtsrechnungen wird dabei beobachtet, dass direkte Mehrteilchenreaktionen im Vergleich zu mehrstufigen Reaktionen zu einer schnelleren Äquilibrierung des Systems führen. Von besonderem Interesse für aktuelle Forschungsfragen zur Deuteron- und Protonproduktion sind Mehrteilchenreaktionen in der späten hadronischen Nicht-Gleichgewichtsphase von Schwerionenkollision bei mittleren und hohen Energien. Die Deuteronproduktion ist hierfür mikroskopisch durch die Reaktionsdynamik der 3-nach-2 Pion- und Nukleon-Katalyse beschrieben. Diese Beschreibung ermöglicht zu erklären, warum widersprüchliche Annahmen zum Deuteronproduktionszeitspunkt zu einer Übereinstimmung mit den experimentellen Daten führen. Des Weiteren ist die Rolle der Rückreaktion von Nukleon-Antinukleon-Annihilationen eine seit langem bestehende Frage. Die theoretische Vorhersage der Protonenanzahl in mikro-skopischen Modellen wird durch Nukleon-Antinukleon-Annihilationen, die im Durchschnitt in 5 Pionen resultiert, verbessert. Der präsentierte Ansatz für die 5-nach-2 Rückreaktionen ermöglicht zu zeigen, dass die Rückreaktion einen signifikanten Effekt auf die Protonenanzahl hat, durch diese wird bis zur Hälfte der Nukleon-Antinukleon-Paare regeneriert. Es sind folglich beide Richtungen der Nukleon-Antinukleon-Annihilationsreaktion relevant für eine vollständige Beschreibung der Protonenproduktion. Insgesamt kann durch diese Ergebnisse gezeigt werden, dass die mikroskopische Beschreibung von inelastischer Streuung in den späten Phasen von Schwerionenkollision wichtig ist. Insbesondere die Relevanz von Mehrteilchenreaktionen im Hadronengas, die entscheidenden Einfluss auf finale Multiplizitäten haben, ist verdeutlicht. Die aufgeführten Untersuchungen von Mehrteilchenreaktionen folgen und werden komplementiert durch das Studium der Eigenschaften des Hadronengases, mit der Beschränkung auf binären Reaktionen. Hierfür ist die Dilepton- und Seltsamkeitsproduktion in hoch-dichten Kern-Kern Kollisionen bei niedrigen Strahlenergien berechnet. Beide Observablen sind speziell auf das Medium sensitiv und erlauben daher die Beschreibung des Hadrongases durch den Transportansatz, vor der Einbeziehung von Mehrteilchenreaktionen, zu verifizieren. Dafür sind die Ergebnisse weitreichend mit experimentellen Daten des HADES Experiments verglichen. Anhand der Übereinstimmung von Seltsamkeits- und Dileptonenproduktion, kann gezeigt werden, dass Transportansätze, im Speziellen der verwendete (SMASH), in der Lage sind, das hadronische Medium mit binären Reaktionen über die vollständige Dauer einer Schwerionenkollision bei niedrigen Energien zu beschreiben. Die Untersuchung der Seltsamkeitsproduktion konzentriert sich des Weiteren auf die Erklärung der Phi und Xi Produktion. ...