Θεωρητική μελέτη των αντιδράσεων βαρέων ιόντων

Abstract

Heavy ion collisions (HIC) at bombarding energies from the Fermi regime (Elab < 0.1AGeV ) up to intermediate relativistic energies of several hundred GeV (Elab = 1? 2AGeV ) offer the unique opportunity to explore the nuclear matter phase diagram under extreme conditions of baryon density and temperature, in the laboratory. The study of nuclear matter at conditions far away from ground state is important for the understanding of astrophysics. Heavy ion reactions are studied theoretically and experimentally over the past 30 years. The development of a new generation of accelerators and detectors, at energies up to 10AGeV , such as the Alternating Gradient Synchrotron (AGS) at the Brookhaven National Laboratory (BNL) (USA), the Super Proton Synchrotron (SPS ) at the European Center for Nuclear Research (CERN), provide a complete description of the phase space of the reaction. The first successful approaches for the description of inclusive data from BEVALAC experiments were based on the concept of participants and spectators. The spectators are those target nucleons which continue their initial motion unchanged due to a lack of overlap with the approaching nucleus, whereas the participants form a ‘‘‘‘nuclear fireball’’’’. However, the assumption of an equilibrated fireball, could only reproduce a limited amount of experimental data. A more microscopic study of the reaction dynamics became possible with the development of hydrodynamic descriptions as well as the intranuclear cascade simulations. The hydrodynamic approach is based on the assumption of local thermal equilibrium. However, numerical studies have shown that rather large local anisotropies remain during most of the reaction process, which shows the limitations of the hydrodynamic approximation. In a complementary approach the cascade model describes the collision as successive billiardtype nucleonnucleon collisions. Although these cascade models were quite useful in order to obtain the first insight into the reaction dynamics in nucleusnucleus collisions, they completely neglected the longrange part of the nucleonnucleon interaction or, more specifically, the nuclear mean field. A major breakthrough in the microscopic description of intermediate energy heavyion collisions was the combination of the cascade model with the meanfield dynamics represented by the BoltmannUehlingUhlenbeck (BUU) equation. The transport equation describes the phase space evolution of the distribution function under the influence of a nuclear mean field (which determines the phase diagram) and of binary collisions (determined from the scattering matrix at high densities). A reliable determination of the nuclearmatter phase diagram fromheavy ion collisions requires a correct treatment of the remaining physical parameters which enter into the transport equation. These are the elementary cross sections for binary collisions between nucleons and other produced hadrons. A difficulty appears, since their experimental knowledge is based on free space scattering. On the other hand, in heavy ion collisions high baryon densities can be reached and, therefore, one expects finite density effects (inmedium modifications) on the elementary elastic and inelastic cross sections. They can furthermore affect the reaction dynamics, since the formation of the compressed fireball region strongly depends on the number of collisions. Furthermore, the propagation of particles with strangeness is affected by the kaonnucleon interaction. In the present thesis, we discuss the properties of the hot and dense nuclear matter (the socalled fireball), formed during an intermediate energy HIC. We attempt to find possible relations between the collision dynamics of the early stage and the high density behavior of the nuclear matter Equation of State (EoS). Our attention is focused on asymmetric nuclear matter. The main aim is to explore the effect of the nuclear environment on paritcle production in heavy ion collisions. After a detailed presentation of the theoretical background of nuclear models in the static (Relativistic Mean Field) and in the dynamical (Kinetic Theory) cases, the results of dynamical simulations are presented. ...........................................................................................................................

Οι αντιδράσεις των ?αρέων ιόντων σε ενέργειες από το επίπεδο Fermi (Elab < 0.1AGeV ), μέχρι τις ενδιάμεσες σχετικιστικές ενέργειες αρκετών εκατοντάδων AGeV (Elab = 1 ? 2AGeV ), προσφέρουν τη μοναδική δυνατότητα εξερεύνησης του διαγράμματος ?άσης της πυρηνικής ύλης σε ακραίες συνθήκες ?αρυονικής πυκνότητας και ?ερμοκρασίας, στο εργαστήριο. Η μελέτη της πυρηνικής ύλης σε συνθήκες μακριά από τη ?ασική κατάσταση είναι σημαντική για την κατανόηση των πυρηνικών δυνάμεων, καθώς και για τη μελέτη αστροφυσικών ?αινομένων. Οι αντιδράσεις ?αρέων ιόντων μελετώνται ?εωρητικά και πειραματικά τα τελευταία 30 χρόνια. Η ανάπτυξη νέας γενιάς επιταχυντών και ανιχνευτών, σε ενέργειες πάνω από 10AGeV , όπως στις εγκαταστάσεις του AGS (Alternating Gradient Synchrotron) στο Brookhaven National Laboratory (USA) και του SPS (Super Proton Synchrotron) στο CERN (European Center for Nuclear Research), προσφέρουν μια πλήρη περιγρα- ?ή του χώρου ?άσεων της αντίδρασης. Ταυτόχρονα, σημαντική είναι και η ?εωρητική πρόοδος που έχει σημειωθεί με σκοπό μια ?εαλιστική περιγραφή της δυναμικής της αντίδρασης. Η πρώτη επιτυχημένη προσέγγιση για την περιγραφή των δεδομένων από τα πειράματα του Bevalac ?ασίστηκε στις έννοιες των συμμετεχόντων (participants) και των παρατηρητών (spectators). Οι παρατηρητές είναι τα νουκλεόνια του στόχου τα οποία συνεχίζουν την αρχική τους κίνηση αμετάβλητη λόγω της έλλειψης επικάλυψης με τον πυρήνα που πλησιάζει, ενώ οι συμμετέχοντες σχηματίζουν μια ?ερμή και συμ- πιεσμένη πυρηνικήπεριοχή Τα πρότυπα που αναπτύχθηκαν με ?άση τιςδύο αυτές έννοιεςονομάζονται, πρότυπα πύρινηςσφαίρας(fireball models). Wστόσο, τα πρότυπα της πύρινης σφαίρας ?ασίζονται στην υπόθεση ότι στο σύστημα είναι δυνατόν να επι- τευχθεί ?ερμική και χημική ισορροπία. Μια πιο μικροσκοπική μελέτη της δυναμικής της αντίδρασης έγινε δυνατή με την ανάπτυξη των υδροδυναμικών προτύπων. Wστόσο, οι μεγάλες τοπικές ανισορροπίες που κυριαρχούν κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων, αναδεικνύουν τους περιορισμούς μιας τέτοιας προσέγγισης. Το πρώτο μικροσκοπικό πρότυπο που χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη των αντιδράσεων ?αρέων ιόντων ήταν το πρότυπο των διαδοχικών καταιγισμών (cascade model). Το πρότυπο παρέλειπε εντε- λώς το μεγάλης εμβέλειας κομμάτι της αλληλεπίδρασης νουκλεονίου-νουκλεονίου ή πιο συγκεκριμένα το πυρηνικό μέσο πεδίο. Για αυτό το λόγο τα πρότυπα διαδοχικών καταιγισμών μπορούν να χρησιμοποιηθούν μόνο σε πολύ υψηλές (υπερ-σχετικιστικές) ενέργειες. Μια σημαντική ανακάλυψη στη μικροσκοπική περιγραφή των αντιδράσεων ?αρέων ιόντων (σε ενδιάμεσες ενέργειες), ήταν ο συνδυασμός του προτύπου διαδοχι- κών καταιγισμών με τη δυναμική του μέσου πεδίου, που οδήγησε στην ανάπτυξη της ?εωρίας μεταφοράς (transport theory). Η εξίσωση μεταφοράς περιγράφει τη χρονική εξέλιξη της συνάρτησης κατανομής του χώρου ?άσεων υπό την επίδραση ενός πυρηνικού μέσου πεδίου (που καθορίζει το διά- γραμμα ?άσης) και διμερών αντιδράσεων (binary collisions) (που καθορίζονται από τον πίνακα σκέδασης σε υψηλές πυκνότητες). ΄Ενας αξιόπιστος καθορισμός του δια- γράμματος ?άσης της πυρηνικής ύλης από τις αντιδράσεις ?αρέων ιόντων, απαιτεί τη σωστή μεταχείριση των ?υσικών παραμέτρων που εισάγονται στην εξίσωση μεταφοράς. Οι ενεργές διατομές των διμερών αντιδράσεων νουκλεονίου-νουκλεονίου προκύπτουν από τα πειραματικά δεδομένα για σκεδάσεις στον ελεύθερο χώρο. Wστόσο, στις αντι- δράσεις ?αρέων ιόντων επιτυγχάνονται υψηλές ?αρυονικές πυκνότητες. Γι΄ αυτό και αναμένουμε επιδράσεις στις ελαστικές και μη ελαστικές ενεργές διατομές από την ύπαρξη της πεπερασμένης πυκνότητας ενέργειας. Οι επιδράσεις αυτές επηρεάζουν τη δυναμική της αντίδρασης, καθώς ο σχηματισμός της ?άσης της πύρινης σφαίρας (fireball) εξαρτάται από τον αριθμό των αντιδράσεων. Επιπλέον, η διάδοση των σω- ματιδίων με παραδοξότητα στο πυρηνικό μέσο επηρεάζεται από την αλληλεπίδραση καονίου-νουκλεονίου. ...............................................................................................................................................