Studie des QCD Phasenübergangs in relativistischen Schwerionenstößen mittels Fluktuationen erhaltener Ladungen und Techniken des maschinellen Lernens

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Christoph Blume; Professorin Dr. Hannah Elfner
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410922684

Die Eigenschaften stark wechselwirkender Materie sind wichtig für unser Verständnis der fundamentalen Bausteine der Materie. Die Zustandsgleichung bei hohen Dichten und moderaten Temperaturen ist die wichtigste Eigenschaft von Kernmaterie, die auch für kosmische Ereignisse wie das kürzlich beobachtete Verschmelzen von Neutronen-Sternen. Bei verschwindendem baryo-chemischem Potenzial ist ein glatter Cross-over durch Gitter-Rechnungen in der Quantenchromodynamik etabliert worden, der auch konsistent mit den experimentellen Daten in ultra-relativistischen Schwerionenstößen am RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) und LHC (Large Hadron Collider) ist. Bei endlichen Netto-Baryonendichten verhindert das sogenannte Vorzeichen-Problem 'first principle' Rechnungen und die einzige Alternative ist die experimentelle Untersuchung des Phasendiagramms stark wechselwirkender Materie. Fluktuationen erhaltener Größen sind viel versprechende Observablen für einen Phasenübergang erster Ordnung oder einen kritischen Punkt im QCD Phasendiagramm. In diesem Projekt planen wir eine enge Zusammenarbeit zwischen experimentellen und theoretischen Gruppen, um Signaturen für den Phasenübergang zwischen Quark-Gluon-Plasma und Hadronen-Gas zu identifizieren. Eine kritische Aufgabe ist es die Messungen der höheren Momente von erhaltenen Ladungen genau unter die Lupe zu nehmen und Untergrund-Effekte zu quantifizieren. Mit geeigneten Rechnungen, die auf Transport-Theorie und relativistischer Hydrodynamik beruhen, werden Mehr-Teilchen-Effizienzen, kinematische Cuts, Erhaltungssätze und Transport von Baryon im Detail untersucht. Fluktuationen des Volumens, die von der Zentralitäts-Selektion beeinflusst werden, werden ebenfalls studiert. Das sogenannte Stopping der Baryonen, das die Netto-Baryonen-Dichte im System bestimmt, wird in einem Hadronen-String-Zugang modelliert. Das Ziel unseres Projektes ist es Widersprüche in den existierenden Messungen auf zu klären, indem herausgearbeitet wird, wie groß der Beitrag der Fluktuationen, die von der Physik am kritischen Endpunkt resultieren, sein kann. Außerdem werden Vorhersagen für künftige Experimente gemacht und Analyse-Methoden entwickelt. Des weiteren werden Techniken des maschinellen Lernens angewendet, um neue sensitive Observablen zu identifizieren. Hybrid-Rechnungen mit verschiedenen Zustandsgleichungen werden benutzt, um ein tiefes, gefaltetes neronales Netzwerk zu trainieren. Das Ziel ist die Identifikation der Zustandsgleichung auf Basis simulierter und echten experimentellen Daten. Zu diesem Zweck wird der höchst effiziente GPU basierte Algorithmus CLVisc zur Lösung der drei-dimensionalen viskosen Hydrodynamik erweitert, um endliche Baryonendichten zu beschreiben. Durch das Zusammenführen der komplementären Expertise der chinesischen und deutschen Partner wird das vorgeschlagene Projekt zu Erkenntnissen über neue Wege zu einem besseren Verständnis des QCD Phasendiagramm führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Xiaofeng Luo; Professor Xin-Nian Wang, Ph.D.