1. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf B. Kämpfer Kolloquium Ilmenau 2012 Vom LHC in das frühe Universum: Extreme Matter in the Universe

2. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de 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 J185635-3754 UrQMD + GEANT4

3. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de LHC @ CERN 7 TeV: protons moving at 99.999999% of the speed of light thousands of powerful superconducting magnets

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

5. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Mystery of Mass p

6. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de electron mass: why just 511 keV? four-prong decay of one Higgs simulation

7. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de LHC at CERN: investigating the quark-gluon plasma

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

9. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de PRL 2007 Probing the Fireball‘s Interior thermal radiation: di-photons M. Hentschel et al., Z. Phys. C 75 (1997) 333

10. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Soft and Hard Probes ALICE, PLB 2011 jets

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

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

13. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de B. Schenke

14. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de shear viscosity bulk viscosity  rel. Navier-Stokes eqs. EoS

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

16. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de A Unified Description: AdS/CFT Chesler, Yaffe, PRL 2011 2‘ 3 1‘ 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

17. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Particles vs. Antiparticles Andronic et al. 1106.6321 post- and pre-dictions

18. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de FAIR

19. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de GSI FAIR 1.2 BEUR LHC RHICSPS SIS18 Bevalac SIS100/300 AGS energy frontier intensity frontier: rare probes (charm, photons, dileptons)

20. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de phase diagram of water phase diagram of strongly interacting matter

21. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de 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)

22. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de B B Disapparence of Anti-Matter (1) t

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

24. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de 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?

25. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Stretching of Distances T = 170 MeV 5 m1 fm100000 fm 1 fm q q g 1000 fm q T = 2.3 x 10 MeV -10 On averageOn Earth In nuclei & neutron stars BBB

26. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de - 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 Quarks + Gluons  Protons + Neutrons +... m = 3 MeV m = 0 m = 938 MeV Higgs interaction

27. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de 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:

28. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de e-, e+ e- - e+e- e+ e- - e+ e-, e+ t Disapparence of Anti-Matter (2)

29. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de e-

30. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de 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+

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

32. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de p n DT He Be Li 1 2 5 6 3 4 8 9 10 12 11 7 7 7 34 Nollett-Burles

33. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Evolution of Abundances D Be mass fraction

34. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Number of Light Neutrinos 3 3.5 2.5

35. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Quark Matter in Neutron Stars? 1054 AD: supernova  radio pulsar X ray source

36. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Scheme of Radio Pulsars

37. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Neutron Stars & White Dwarfs R [km] M / M_sun 1.4 2.0 1020 10,000 unstable stable e, n p Chandrasekhar e-, nuclei n, (p, e-) quarks?

38. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de

39. 27.07.2011Thomas Klähn – NTAA Summer School Dubna ہ Binary system in Scorpius ہ 1200 parsecs from Earth ہ Neutron star with white dwarf companion ہ NS - millisecond pulsar (P=3.15 ms) ہ Recycled pulsar – accretion ہ Time signal is getting delayed when passing near massive object. ہ General relativistic effect. ہ Size of the effect depends on mass and inclination angle. ہ Pulse delay best to measure when pulsar is exactly behind companion : Shapiro delay

40. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de 27.07.2011Thomas Klähn – NTAA Summer School Dubna Hubble ST Spitzer ST Chandra ST Courtesy of http://chandra.harvard.edu/photo/2009/crab Supernova in Crab Nebula 1054 AD detectable frequencies: - optical - infrared x-ray obviously a complex & structured system

41. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de QCD Vacuum ground state : dark energy candidate

42. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de WMAP or Einstein‘s constant or ? sensors for the vacuum Dark Energy:

43. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de Summary LHC: - search for Higgs (brings masses in our world, 1st step) - precision description of Quark-Gluon Plasma (hadronization makes massive Protons & Neutrons, 2nd step) Early Universe: - Protons & Neutrons emerge in hadronization - light nuclei emerge in prim. Nucleosynthesis Late Universe: - formation of structures (galaxies, stars) (nucleosynthesis in stars) - stellar core collapse  Neutron Stars (Quark Matter cores?) Open questions: - 75% Dark Energy = ? (vacuum energy?) - 20% Dark Matter = new particles? - 5% Protons & Neutrons (half in stars, where are the others?)

44. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de physics case technical design simulations & feasibility

45. B. Kämpfer | Institut für Strahlenphysik | Hadronenphysik | www.hzdr.de T = mu CBM at FAIR