The QCD phase diagram within effective models

Abstract

We study the QCD phase diagram using effective theories with the respective degrees of freedom for the different phases of QCD. In the deconfined phase we employ the dynamical quasiparticle model (DQPM), that is able to describe the dynamics of hot QCD at vanishing chemical potential. We extend to model to momentum-dependent selfenergies in order to match the correct perturbative limit of the propagators at high momenta. Within this generalized quasiparticle approach, denoted as DQPM∗, we can simultaneously reproduce the lattice QCD (lQCD) equation of state (EoS) and baryon number susceptibility. Using thermodynamic consistency we extend the model to finite baryon chemical potential exceeding the application range of lQCD by far. We give predictions for the EoS and the most important transport coefficients. In the confined phase the medium is composed of hadrons. At large temperatures they interact predominantly by resonant scatterings, which can be well described in terms of a hadron-resonance gas (HRG). At large chemical potential and low temperature the nature of the interaction changes from resonant scatterings to meson exchange as described by relativistic meanfield theories. We combine both approaches to get an interacting HRG (IHRG), that is compatible to the lQCD EoS (µ ≈ 0, T > 0) and the nuclear EoS (T ≈ 0, µ > 0). For a complete description of the phase diagram we have to switch between the partonic and the hadronic model. In accordance with heavy-ion simulations we define the transition at lines of constant thermodynamics. The resulting EoS is valid up to µB ≈ 450 MeV. We perform heavy-ion simulations with the PHSD transport approach and determine the region in the QCD phase diagram that is probed by different collision energies. The EoS constructed from the DQPM∗ and the IHRG can be used to describe collisions at low beam energies down to √s ≈ 7.7 GeV. Using simulations at even lower beam energies we determine the conditions necessary for the discovery of the critical point in the QCD phase diagram. Wir untersuchen das QCD-Phasendiagramm unter Verwendung verschiedener Effektiver Theorien. Wir beschreiben die deconfinierte Phase mit einem partonischen Quasiteilchenmodell, dem DQPM, das erfolgreich die Dynamik heißer QCD-Materie repro- duzieren kann. Wir erweitern das Modell auf impulsabhängige Selbstenergien um den korrekten störungstheoretischen Grenzwert der Propagatoren zu gewährleisten. Mit diesem generalisierten Quasiteilchenmodell, dem DQPM∗, können wir gleichzeitig die von Gitter-QCD Rechnungen prognostizierte Zustandsgleichung sowie die Suszeptibilität beschreiben. Wir nutzen thermodynamische Konsistenz und erweitern das Modell auf endliche chemische Potentiale, die die Anwendbarkeit von Gitter-QCD Rechnungen bei weitem übersteigen, und bestimmen die Zustandsgleichung sowie die wichtigsten Transportkoeffizienten. In der confinierten Phase besteht die Materie nicht aus Partonen sondern aus Hadronen. Bei großen Temperaturen wechselwirken die Hadronen hauptsächlich durch resonante Streuung miteinander. Dies kann durch ein simples Hadron-Resonanz Gas (HRG) beschrieben werden. Bei kleinen Temperaturen und großen chemischen Potentialen dominiert der Austausch von Mesonen die Wechselwirkung. Dieser Mechanismus wird in relativistischen Modellen für unendlich aus- gedehnte Kernmaterie beschrieben. Wir kombinieren die beiden Modelle und definieren ein wechselwirkendes HRG (IHRG), das mit der Zustandsgleichung von Gitter-QCD-Rechnungen (µ ≈ 0, T > 0) sowie der Zustandsgleichung von unendlich ausgedehnter Kernmaterie (T ≈ 0, µ > 0) übereinstimmt. Für eine vollständige Beschreibung des QCD-Phasendiagramms müssen wir an der Phasengrenze von dem partonischen auf das hadronische Modell wechseln. Wir nutzen Erkenntnisse aus Simulationen von Schwerionenkollisionen und definieren die Phasengrenze bei konstanten thermodynamischen Bedingungen. Die resultierende Zustandsgleichung ist bis zu einem Baryonchemischen Potential von µB ≈ 450 MeV gültig. Wir simulieren Schwerionenkollisionen mit dem PHSD Transportmodell und untersuchen die Regionen des QCD Phasendiagramms die in tatsächlichen Kollisionen zugänglich sind. Die durch das DQPM∗ und das IHRG definierte Zustandsgleichung kann für Kollisionen mit Schwerpunktsenergien von über √s = 7.7 GeV verwendet werden. Wir nutzen Simulationen bei noch geringeren Energien und untersuchen die Bedingungen die nötig sind um den kritischen Punkt des QCD Phasendiagramms nachzuweisen.