Implementing a 3+1-dimensional simulation for a color glass condensate model in C++

Abstract

Schwerionenkollisionen erlauben es, die Quantenchromodynamik im Bereich hoher Dichte und hoher Energien zu untersuchen. Das Modell des Farbglaskondensats (engl. color glass condensate, CGC) ist eine klassische, effektive Feldtheorie, welche die kollidierenden Kerne als flache, lorentzkontrahierte Scheiben beschreibt. Der vorliegende C++-Code kann die ersten Phasen von Schwerionenkollisionen im Rahmen dieses Farbglaskondensats simulieren und verwendet dabei Kerne mit endliche Dicke. Die gesamten Bewegungsgleichungen, Zwangsbedingungen und die Hamiltondichte sind abgeleitet von der CGC-Wirkung. Zusätzlich wird eine alternative Diskretisierung des Poynting-Vektors hergeleitet, welche eine bessere Erhaltung des Poynting-Theorems erlaubt. Im Vergleich zum Vorgänger, dem OpenPixi Simulator, sollte der vorliegende C++-Code eine leichter vorhersagbare Skalierung aufweisen, schneller sein und weniger Speicher verbrauchen. Um dies zu untermauern wurde eine Reihe von Tests und Benchmarks durchgeführt. So wurden wohlbekannte Effekte wie das Auftreten einer Druckanisotropy und Gaußscher Rapiditätsprofile im Vergleich mit OpenPixi überprüft.

Heavy ion collisions allow the study of quantum chromodynamics in the dense, high energy regime. The color glass condensate (CGC) model is a classical, effective field theory that describes the colliding nuclei as flat, Lorentz contracted discs. The present C++ code can simulate the early stages of heavy ion collisions in the CGC framework with nuclei of finite thickness. All equations of motion and constraints as well as the Hamilton density are derived from the CGC action. Additionally, an alternative discretization of the Poynting vector, which allows better conservation of Poyntings theorem, is obtained. Compared to its predecessor, the OpenPixi simulator, the new C++ code should have more predictable scaling, run faster and use less memory. In order to confirm this, a set of tests and performance benchmarks were conducted. Furthermore, the emergence of well-known features like the pressure anisotropy and Gaussian rapidity profiles were studied in comparison with OpenPixi.