Arbeitsgruppe Tetyana Galatyuk
Untersuchung von Quark-Materie mit virtuellen Photonen

Willkommen bei der Arbeitsgruppe von Prof. Tetyana Galatyuk

Unsere Gruppe im Dezember 2019.

Willkommen auf der Website unserer Gruppe, die Quark-Materie mit Virtuellen Photonen untersucht: ViP-QM. Wir untersuchen die mikroskopischen Eigenschaften und die Thermodynamik von stark wechselwirkender Materie und die Phasenstruktur der Quantenchromodynamik, mit besonderem Augenmerk auf elektromagnetischen Sonden. Als Teil internationaler Kollaborationen entwickeln und betreiben wir die Experimente HADES und CBM am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung/FAIR und das Experiment STAR am Relativistic Heavy-Ion Collider am Brookhaven National Laboratory. Die Analyse experimenteller Daten und die phänomenologische Vorhersage der Observablen aus elementaren und Schwerionen-Kollisionen ist ein komplementärer und gleichermaßen wichtiger Teil unserer Forschung.

Die Hauptthemen unserer Forschung sind:

  • QCD-Phasenstruktur
  • Dileptonen- und Hadronen-Spektroskopie
  • Hadronen- und Schwerionenkollisionen
  • Phänomenologie elektromagnetischer und hadronischer Sonden
  • Detektorentwicklung
Skizze des Phasendiagramms stark (QCD) wechselwirkender Materie

Was passiert, wenn Gold-Atomkerne, die auf 90 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurde, auf ruhende Gold-Kerne treffen?

Für eine extrem kurze Zeit, t ~ 10-23 Sekunden, werden Materiezustände bei extremen Temperaturen (>1012 K) und Dichten (>280 Mt/cm3) erzeugt. Die Möglichkeit, im Labor stark wechselwirkende Materie zu erzeugen und zu untersuchen unter Bedingungen, wie sie wenige Mikrosekunden nach dem Urknall herrschten und heute noch im Inneren kompakter Sterne zu finden sind, ist faszinierend.

Die Physik hinter ihren Eigenschaften berührt die fundamentalen Fragen der Natur, vor allem die Entstehung von Materie aus nahezu masselosen Elementarteilchen.

In den letzten Jahrzehnten wurde enormer Aufwand betrieben, um nukleare Materie fernab des Grundzustandes zu erforschen. Ziel dieser Anstrengungen ist die Erkundung der Phasenstruktur stark wechselwirkender Materie, die durch die Gesetze der Quantenchromodynamik (QCD) bestimmt wird. Dazu werden im Labor extreme Materiezustände erzeugt. Das Phasendiagramm der QCD-Materie ist in der Abbildung zu sehen. Gezeigt sind die vermuteten Phasengrenzen in Abhängigkeit von der Temperatur (T) und dem chemischen Potential der Baryonen (µB). Im frühen Universum wurde die Materie durch Antimaterie ausgeglichen, und daher durch verschwindendes baryochemisches Potential (µB = 0) und hohe Temperaturen charakterisiert. Andererseits weisen kompakte Sterne wie Neutronensterne vergleichsweise geringe Temperaturen und hohe barochemische Potentiale auf.

Photonen werden seit langer Zeit verwendet, um die Eigenschaften von „Materie“ zu untersuchen. Man denke an die Erfolgsgeschichte der mysteriösen elektromagnetischen Strahlung, die von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt wurde (Röntgen-Strahlung). Seit 1895 erlauben uns Röntgenstrahlen in den lebenden menschlichen Körper hineinzuschauen.

Im Jahr 1900 beschrieb Max Planck die thermische elektromagnetische Strahlung, die von einem schwarzen Körper ausgeht, wenn er auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird, und konnte die Änderungen des Spektrums vorhersagen, während sich die Temperatur änderte.

Virtuelle Photonen, die allgemeine Form der elektromagnetischen Strahlung, werden nach kurzer Zeit reell, indem ein Paar geladener Leptonen entsteht, zum Beispiel ein Elektron und ein Positron.

Während des Ablaufs einer Schwerionenkollision können virtuelle Photonen genutzt werden, um „Röntgen-Bilder“ (elektromagnetische Spektralfunktionen im Medium) zu beobachten und „Planck-artige Spektren“ (die Temperatur der Quelle) stark wechselwirkender Materie zu messen.

Reelle und virtuelle Photonen, die von der heißen und dichten Kollisionszone in Schwerionenreaktionen abgestrahlt werden, sind eine einzigartige Möglichkeit, die Eigenschaften der stark-wechselwirkenden Materie unter extremen Bedingungen zu untersuchen. Elektromagnetische Sonden (Dileptonen und Photonen) übermitteln wichtige Informationen über die zerfallenden Objekte zu den Detektoren, ohne von der starken Endzustands-Wechselwirkung beeinflusst zu werden, während sie das Medium durchqueren. Hauptziele der Untersuchungen sind das Verständnis des Mechanismus der dynamischen Brechung der chiralen Symmetrie, Änderungen der Freiheitsgrade und die mögliche Entdeckung unkonventioneller Materiezustände.

Unsere Gruppe verfolgt ein Dileptonenprogramm an der GSI mit HADES, am Beschleunigerkomplex des BNL mit STAR und an der im Bau befindlichen Anlage FAIR mit CBM, um systematisch zu untersuchen, wie sich die Dileptonensignale über das QCD-Phasendiagramm ändern und damit Aufschluss über die Phasenstruktur liefern. Besonderer Fokus liegt auf Materie bei hohen Netto-Baryonendichten und relativ niedrigen Temperaturen.

Dileptonen werden während aller Phasen einer Kollision abgestrahlt.

Real and virtual photons emitted from the hot and dense collision zone formed in heavy-ion reactions are a unique tool for investigating properties of strong-interaction matter under extreme conditions. Electromagnetic probes (dileptons and photons) carry important information about the decaying objects to the detectors without being affected by strong final-state interaction while traversing the medium. The key objective of using dileptons as probes is to gain insight to the mechanism of dynamical chiral symmetry breaking, changes in the degrees of freedom, and possibly to discover unconventional states of matter.