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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 3)

2 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | LHC at CERN: searching Higgs, SUSY, the unknown P. Higgs 1964 SM: masses of quarks & part of leptons (e.g., e-)

3 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Mystery of Mass

4 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | LHC at CERN: investigating the quark-gluon plasma

5 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Rel. Heavy-Ion Colls.: RHIC & LHC RHICLHC hydro applies: Frankfurt HIC group

6 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Thermal Model at Work Andronic et al chemical freeze-out densities ratios adjust to data

7 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Chemical Freeze-Out Systematics PBM, Stachel,

8 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Particles vs. Antiparticles Andronic et al post- and pre-dictions

9 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Blast Wave Fits kinetic freeze-out chem. f.o. ALICE BK 1996 fit of pT spectra by T and v

10 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Fluid Dynamics for urHICs present day standard tool: 3. kinetics (transport model) 2. hydrodynamics 1. kinetics (transport model) first contact preequilibrium hydro: sQGP hadronization hydro: hadron gas chemical f.o. hydro: hadron gas kinetic f.o. weak decays t x mid rapidity t free stream fluid ?

11 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Milne Coordinates Bjorken flow: Gubser flow: Bjorken symmetry:

12 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Bjorken Flow Milne cordinates Bjorken symmetry EoS in conformal limit: e = 3p entropy in comoving volume = conserved for every EoS w/o dissipation mystery:

13 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Longitudinal Pressure Gradient initial conds: Bjorken flow Kajantie, Eskola, Russkanen, EPJC 1998 Bozek, PRC 2009 init. non-Bjorken flow: different evolution it is hard to modify Bjorkens flow once it is there origin of Bjorken flow? v = th y

14 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Soft and Hard Probes ALICE, PLB 2011 jets

15 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Hard Probes: Medium Modifications RHIC: disappearence of away-side jet energy loss

16 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Transverse Flow central semi-central peripheral no configuration space momentum space soft probes p

17 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | STAR at RHIC hydro Cooper-Frye momentum distrib. v2(p_perp) Bluhm et al., PRC 2007

18 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | B. Schenke

19 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | U.Heinz, Crete 2011

20 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | U.Heinz, Crete 2011

21 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Viscous Fluid Dynamics water is good fluid, honey not, oil partially

22 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | shear viscosity bulk viscosity rel. Navier-Stokes eqs.

23 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik |

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27 Viscosities from Calculations Bluhm, BK, Redlich, PRC 2011

28 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | A Unified Description: AdS/CFT Chesler, Yaffe, PRL time AdS/CFT: 1. solve 5d Einstein vacuum eqs. (with symmetries) with negative cosmological constant 2. obtain 4d energy-momentum tensor from holographic renormalization (boundary theory) 1 2

29 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | LHC RHICSPS SIS18 Bevalac SIS100/300 AGS What remains for CBM at FAIR? T = mu energy frontier intensity frontier: rare probes (charm, photons, dileptons)

30 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | GSI FAIR 1.2 BEUR

31 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | FAIR

32 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | PBM, Stachel,

33 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | physics case technical design simulations & feasibility

34 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Key Issues for CBM - in-depth study of onset of deconfinement - EoS & transport coefficients - medium modifications hadrons never studied at SIS100/300 energies: - charm: hidden & open, charm baryons (created early probe dense stage) - dileptons & photons: penetrating probes (monitoring the dense stage, looking into fireball) - fluctuations: higher moments sensitive to proxy of CEP - correlations: size (temporal & spatial) measurements

35 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Strongly Coupled Systems weak couplingstrong coupling transport peak quasi-particles AdS/CFT

36 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Summary - Cosmic Confinement/Hadronization: no imprints nucleons as remainder due small excess (= accident?) - Nucleosynthesis: sensitive test of cosmic dynamics abundancies of light elements is specific imprint - Neutron Stars: quark cores seem possible (but hard to verify; need fine tuning of cold EoS) - RHIC & LHC: sQGP seems w/o doubts, EoS from lattice QCD, sQGP = most perfect fluid: viscosities are small, energy scan at RHIC gives orientation (no rare probes) - HADES&CBM at SIS100/300: exploration of phase diagram, rare & penetrating probes, closer link to hadron physics

37 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | PRL 2007 Probing the Fireballs Interior thermal radiation: Gallmeister et al. PLB 2000 Rapp-Shuryak PLB 2000

38 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | DLS Puzzle Solved by Bremsstrahlung? Barz et al Bratkovskaya, Cassing NPA 2008 M [GeV] Aichelin et al. 2008: w/ bremsstrahlung Santini et al. 2008: w/o bremsstrahlung Schmidt et al. 2009: w/o bremsstrahlung C(1 AGeV) + C 1997: bremsstrahlung... contribution was found to be small 2007: DLS puzzle... may be solved when incorporating a stronger bremsstr. contribution DLS: PRL 1997HADES: PLB 2008 Nikola Tesla 1888

39 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | CERES Pb(158 AGeV)+Au = 170 MeV cocktail thermal rad. t DY thermal rad. cocktail pre-equ. fireball freeze-out

40 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | NA60: Di-Muons LMR IMR NA60 NA broadening no shift

41 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | PHENIX real photons Quarks & Gluons Hadrons cocktail confirmed by pp RHIC PHENIX Drees

42 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Dielectrons PHENIX data

43 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Photons PHENIX data

44 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Fluid Dynamics from Gravity Bhattacharyya, Hubeny, Rangamani... JHEP 2008 FG coordinates bulk near z = 0, asymp. AdS metric & black brane strong coupling regime: universal sector in long-wavelength solutions, isotropization assume as relevant d.o.f.

45 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | epsilon expansion: z expansion equivalent? iterative solutions of Einstein eqs. constitutive eqs.: extrinsic curvature on r = const from

46 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | The Janik Route Bjorken flow + symmetry, Milne coordinates e Janik, Lecture Notes Phys. 2011

47 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Get e(tau) from AdS/CFT FG coordinates: boundary theory: z = z expansion (indices suppressed): Skenderis et al., 2000 iterative solution for n > 4 Einstein eqs. Definition: Kretschmann...

48 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Large tau: requirement: K = regular (no singularities in the bulk) values of Gyulassy, Danilewicz PRD 1985 shear viscosity = Small tau: Einstein eqs. constraints for A, B, C allowed init. conds. anisotropy measure Beuf et al., JHEP 2009 numbers the only scale

49 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | Heller, Janik, Witaszczyk st-order hydro stage: q = 0 F/w = 2/3

50 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | transient dynamics Comparison of with Frankfurt El, Xu, Greiner, PRC 2010 Denicol, Koide, Rischke, PRL 2010 shear tensor: for Bjorken flow & symm. third-order rel. diss. hydro, extension of Israel-Stewart looks as gradient expansion Boltzmann m = 0

51 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | start from equilibrium: start from off-equilibrium:

52 B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik |


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