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B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf B. Kämpfer Indian Summer School 2011 Extreme.

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1 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf B. Kämpfer Indian Summer School 2011 Extreme Matter in the Universe (part 1)

2 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | when where what 1)t ~10^-6 s everywhere hadronization small 2)t ~ 10^2 s everywhere nucleosynthesis large neutrino decoupl. e+ e- annihilation 3) now neutron stars cbm large 4) now CERN hadronization small 5) 2018 AD FAIR CBM large www questions after Big Bang

3 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | What is Extreme? (i) hot: T ~ 100 MeV ~ 10^12 K (ii) dense: rho ~ 10^15 g/cm^3 ~ 5 rho_0 (iii) fast: dt < 10 fm/c ~ 30 ys = 30x10^-24 s RX J UrQMD + GEANT4

4 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Numerology in nuclei

5 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | 2) = rather normal, but interesting playground T x x x rho x x dt x x universe hadronization universe nucleosynthesis neutron stars LHC, RHIC FAIR CBM What are our Questions? QCD hadrons (structure + interactions) phase diagram of SIM deconfined SIM = sQGP = ? hot dense short

6 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Barz et al., PLB 1987 T CEP Nf = 3 T n CEP mix Nf = 3 T Phase Diagram of SIM

7 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | or n T phase diagram of water

8 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Gauge Theories w/o SSB Abelian (QED) non-Abelian (QCD) E E 1/137 1 sQCD pQCD Landau pole UV slavery asymp. freedom non-trivial vacuum: condensates not neccessarily weak-coupling: alpha too large 0

9 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Columbia plotWuppertal-Bp plot O(4) vs. Ising

10 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Hadron Resonance Gas T < Tc: hadrons Dashen-Ma-Bernstein theorem Wuppertal-Bp

11 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Gluon Gas: Nf = 0 QCD trace anomaly: e – 3p = 0

12 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Trace Anomaly/Interaction Measure quasi-particle model: adjustment to lattice QCD results susceptibilities, transport coeff. Bielefeld lattice QCD: Tc puzzle

13 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik |

14 Bielefeld-Swansea data c0 c2 c4 c6 D=1.15 neglect strong interaction QPM lQCD

15 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Tools: (1) Fluid Dynamics long-wavelength modes T(x), mu(x), u(x) and their gradients currents 1) 2nd law of thermodynamics: 2) conserved charges: 3) EoM: 1st law of thermodyn. Euler/Navier-Stokes curvilinear coordinates/Riemann space-time:

16 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | 1)= control eq. (seldom constructive eq.) 2)= local charge conservation 3)= 4 eqs. for 4 components of constitutive eqs.: perfect fluiddissipation What is flow? Choice of 4-velocity (3 independent components) a)Eckart: flow of net charge b)LL: flow of energy LL condition: t x

17 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | even when neglecting dissipative effects: EoS is needed p(e,n) or p(T,mu) or s(e,n) or... first-principle calculations (lattice QCD, large-T expans.) phenomenology, measurements V, E, N_i: extensives e, n_i T, mu_i: intensives entropy density s, pressure p... applicability of hydro: container > gradients large enough

18 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Tools (2): Thermodynamics Gibbs-Duham: Euler: susceptibilities: Taylor expansion (Bielefeld):

19 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Example: Cosmic Confinement perfect fluid + cosmological principle homogeneity + isotropy in 3D Robertson-Walker metric (coordinates) Einstein eqs. expanding universe (matter cools and becomes dilute) comoving volume ESES ESES R(t1) R(t2)

20 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Friedmann eqs. EoS

21 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Bag Model EoS: too simple pi T p qg Tc Gibbs criteria for phase equilibrium (maximum entropy) p_qg = p_pi T_qg = T_pi mu_qg=mu_pi -p = free energy 1st order pt (nucleation, bubbles etc.) p T e,s T mix T t10 Tc

22 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Cosmic Swing (1): SIM from small mu to large mu hadronization

23 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Driving the Cosmic Swing: eta mystery: 5year WMAP CDM God given init. cond. or via baryogenesis (sphalerons) specific entropy conserved: T > Tc: relativistic quarks carry baryon number T < Tc: non-relativistic nucleons carry baryon number T ~ 45 MeV: annhilation of baryons, excess (~ eta) remains why is baryon excess so small OR why is entropy so large?

24 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | B B disapparence of anti-matter (1)

25 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Boltzmann approx.: Densities high/low temperature approx.:

26 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik |

27 Stretching of Distances T = 170 MeV 5 m1 fm fm 1 fm q q g 1000 fm q T = 2.3 x 10 MeV -10 On averageOn Earth In nuclei & neutron stars BBB

28 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | - cosmic confinement is too slow - gradual matter conversion in qg h cross over - if confinement would be 1st order pt: bubble growth, supercooling, inhomogeneities - uncertainty: neutrino degeneracy Relics of Cosmic Confinement? after 30 years research: none Jenkowski, BK, Z. Phys. 1990

29 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Primordial Nucleosynthesis the first three minutes four fundamental forces in concert: - gravity expansion of universe - electromagnetic e+ e- annihilation - weak neutrino decoupling - strong/nuclear cooking the leight elements: specific abundances for given cosmic expansion + reaction rates charge neutrality:

30 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | e-, e+ e- - e+e- e+ e- - e+ e-, e+

31 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik |

32 e-

33 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Big Bang e+ e- Annihilation t ~ 0.3 s: neutrino decoupling t ~ 15 s, T ~ 3 x 10^9 K: e+ e- annhilation Kolb-Turner disappearance of last antimatter in universe only excess electrons survive reheating of photons, nucleons e- e+

34 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | e+ e- Nano Droplets Yaresko, Munshi, BK, Phys. Plasma 2010 Munshi, BK, PRA 2009 first estimates: Shen, Meyer-ter-Vehn, PRE 65

35 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | The Universe as Reactor Friedmann: T(t) from D: baryometer 4He: chronometer only destruction after BNN

36 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Primordial Nuclear Network 2. D, 4. 3He, 8. T, 6. 4He, 7. 7Li Dominant Channels (strong int./QCD):

37 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | p n DT He Be Li Nollett-Burles

38 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Rate Equations for 2 2 Processes rates (T) Init. Conds.: earlier equilibrium values add decays integrate up to freeze-out T(t)

39 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Evolution of Abundances D Be mass fraction

40 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Cosmic Concordance? new physics beyond Standard Model? Xdimensions, more neutrinos, axions, SUSY particles, G(t),...

41 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Neutron Life Time nearly all n are in 4He: Y(4He) depends on (other abundances are robust) and also on fastBBN

42 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Number of Light Neutrinos

43 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Cosmic Interim Summary Cosmic Confinement/Hadronization T > Tc = 170 MeV, t < 10^-6 s: mu small, q + g T 10^-6 s: hadrons emerge and decay, no relics T ~ 40 MeV: nucleons annihilate (up to the excess) no relics Primordial Nucleosynthesis concides with neutrino decoupling and e+ e- annihilation abundancies of light nuclei are sensitive to expansion history = relics


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