Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW

Prezentacja na temat: "Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW"— Zapis prezentacji:

1 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW 18 .05. 2012
Dżety w zderzeniach ołów-ołów przy energii LHC: czy obserwujemy ich modyfikacje? Bożena Boimska Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW

2 Plan Wstęp Wyniki Podsumowanie Plazma kwarkowo-gluonowa
Motywacja badań dżetów w zderzeniach jonów przy LHC Zderzenia PbPb w 2010 i 2011 roku Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach ciężkich jonów przy LHC Wyniki Pomiar czynnika modyfikacji jądrowej - RAA Analiza przypadków dwu-dżetowych Analiza przypadków dżet-foton Podsumowanie

3 Plazma kwarkowo-gluonowa
Quark-Gluon Plasma (QGP): stan materii ze swobodnymi kwarkami i gluonami Badanie QGP: lepsze zrozumienie oddziaływań silnych i zjawiska uwięzienia partonów wewnątrz hadronów zbadanie warunków jakie istniały tuż po Wielkim Wybuchu (pierwsze ms) Eksperymentalnie QGP badana w zderzeniach ciężkich jonów przy bardzo wysokich energiach Obliczenia teoretyczne (QCD) przewidują przejście do QGP gdy: gęstość energii> ec~1 GeV/fm3 lub temperatura> Tc~175 MeV

4 „Mały Wybuch” w laboratorium
Final state particles Hard probes

5 ALICE - dedykowany badaniom HI
ATLAS i CMS – dedykowane badaniom zderzeń p+p, mają program HI

6 Zderzenia Pb20882+-Pb20882+ przy LHC
W 2010 i 2011 roku po ok. 1 miesiącu zbierania danych Parametr zderzenia Nominalnie w 2010r. w 2011r. Energia sNN [TeV] 5.52 2.76 Świetlność L [cm-2s-1] ~1027 do 2.5*1025 do ~4.5*1026 Scałkowana świetlność dostarczona przez akcelerator LHC w 2011: L2011~16xL2010

7 Scałkowana świetlność dla PbPb
M. Ferro-Luzzi 2012 Chamonix workshop

8 „Mały Wybuch” w laboratorium
Centralne zderzenie PbPb przy sNN=2.76 TeV

9 Plany na 2012r. (listopad) Badanie efektów zimnej materii jądrowej: pPb przy sNN=5 TeV Oczekiwana świetlność: początkowa ~3*1028 cm-2s-1 scałkowana ~30 nb-1 (Ewentualnie) badanie zderzeń pp sNN=2.76 TeV (odniesienie dla PbPb) sNN=5 TeV (odniesienie dla pPb) Oczekiwana scałkowana świetlność 6pb-1 dla każdej z energii

10 Pierwsze wyniki (seminaria FWE)
Femtoskopia (korelacje HBT) Adam Kisiel (PW), : Charakterystyki globalne i korelacje Krotność cząstek Pływ eliptyczny Korelacje dwu-cząstkowe „Twarde” sygnały Produkcja J/Ψ Produkcja Z0 Tłumienie dżetów BB, :

11 Publikacje LHC dla PbPb@sNN=2.76TeV
ALICE Krotność cząstek PRL 105, (2010), PRL 106, (2011) Femtoskopia PLB 696, 328(2011) Pływ PRL 105, (2010), PRL 107, (2011) Tłumienie dużych pT cząstki naładowane: PLB 696, 30(2011) mezony D: arXiv: Korelacje azymutalne arXiv: Produkcja J/Ψ arXiv: Fluktuacje tła dla dżetów JHEP 1203, 053(2012) ATLAS Asymetria pędowa dżetów PRL 105, (2010) Produkcja J/Ψ i Z0 PLB 697, 294(2011) Krotność cząstek PLB 710, 363(2012) Pływ PLB 707, 330(2012), arXiv:

12 Publikacje LHC dla PbPb@sNN=2.76TeV
CMS Produkcja Z0 PRL 106, (2011) Asymetria pędowa dżetów PRC 84, (2011), arXiv: Korelacje dwu-hadronowe JHEP 1107, 076(2011), arXiv: Krotność JHEP 1108, 141(2011) Produkcja Y i J/ψ PRL 107, (2011), arXiv: Pływ arXiv: , arXiv: Tłumienie dużych pT EPJC 72, 1945(2012) Fotony PLB 710, 256(2012) Korelacje foton-dżet arXiv: Gęstość energii ET arXiv:

13 Centralność zderzenia
„obserwatorzy ” obszar „uczestników” „obserwatorzy” b Mniejszy parametr zderzenia b Większy obszar przekrywania się jąder Więcej nukleonów uczestników Npart i większa liczba zderzeń Ncoll (0-5)% (60-100)% b, Npart , Ncoll nie są mierzone bezpośrednio. Wyznaczane są na podstawie innych wielkości mierzonych w eksperymencie (np. krotność cząstek, ET) + model

14 Tłumienie dżetów (”jet quenching”)
Jedna z sygnatur wytworzenia QGP - J.D.Bjorken (1982) Zaobserwowane po raz pierwszy przy akceleratorze RHIC (USA) dla zderzeń sNN=200GeV Dla RHIC rekonstrukcja dżetów bardzo trudna  badano cząstki z dużym pT Pomiar tzw. czynnika modyfikacji jądrowej i korelacji w kącie azymutalnym Wynik strat radiacyjnych partonów, biorących udział w twardym oddziaływaniu w początkowej fazie zderzenia, przy przejściu przez gęsty ośrodek partonowy

15 Czynnik modyfikacji jądrowej - RAA
(produkcja w A+A) RAA = NCOLL(AA)  (produkcja w p+p) |twarde oddziaływania skalowanie z Ncoll brak efektów jądrowych Wpływ efektów jądrowych: RAA > 1 wzmocnienie produkcji RAA < 1 tłumienie produkcji

16 Czynnik modyfikacji jądrowej przy RHIC
STAR h± RdAu>1 wzmocnienie RAuAu<1 tłumienie ”Jet quenching” obserwowany w centralnych zderzeniach AuAu jako tłumienie produkcji cząstek z dużym pT (wytworzona gęsta materia partonowa)

17 Korelacje azymutalne przy RHIC
Δf Trigger Associated away-side near-side p+p jet event Pedestal&flow subtracted near-side away-side 4< pT(trig) < 6 GeV/c 2 <pT(assoc)<pT(trig)GeV/c Zderzenia pp i dAu podobne Dla centralnych AuAu ginie dżet ”away”

18 Korelacje azymutalne przy RHIC
Pedestal&flow subtracted near-side away-side Widoczny bo powstaje blisko „brzegu” Leading hadrons Medium away near Ginie bo jest tłumiony w gęstym ośrodku – ”jet quenching”

19 Czynnik modyfikacji jądrowej przy LHC
Dla cząstek naładowanych Pierwszy pomiar RAA: ALICE, PLB 696, 30(2011)  mała statystyka Pb CMS, EPJC 72, 1945(2012) (dane 2010 i 2011) Pomiar aż do pT ~100 GeV/c Z centralnością zderzenia RAA maleje

20 RAA przy SPS, RHIC i LHC Dla energii LHC:
EPJC 72, 1945(2012) central collisions Dla energii LHC: produkcja hadronów tłumiona ~6x przy pT~7GeV/c dla wyższych pT powolny wzrost i plateau RAA~0.5 w zakresie pT~40-100GeV/c Ograniczenie na modele opisujące straty energii partonów Możliwość wyznaczenia własności wytworzonego ośrodka partonowego (np.: dNg/dy)

21 Dżety przy LHC Energia LHC ~14 x RHIC
Dla LHC duży przekrój czynny na produkcję dżetów: sjet>100GeV (LHC) > 105 • sjet>100GeV (RHIC) 2.76 TeV b Możliwa rekonstrukcja dżetów  Mierzymy dżety (a nie tylko cząstki z dużymi pędami poprzecznymi)

22 Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach PbPb
Trudna bo duże tło od tzw. “soft underlying event” dNcharged/dη ~1600 (dla 5% najbardziej centralnych zderzeń) Trzeba stosować specjalne procedury odejmowania tła (przypadek po przypadku)

23 Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach PbPb
Tradycyjna metoda: rekonstrukcja oparta na informacji z kalorymetrów, w których nastąpił depozyt energii cząstek należących do dżetu Szukany stożek o promieniu Cząstki naładowane o małym pT poza stożkiem Metoda „Particle Flow”: HCAL Clusters ECAL Tracks Clusters and Tracks Particles particle-flow Do zrekonstruowania dżetu używana informacja z kalorymetrów i układu śladowego

24 Przypadki dwu-dżetowe w zderzeniach PbPb
Jedne z pierwszych zderzeń: Zaobserwowano przypadki dwu-dżetowe Dla centralnych zderzeń widoczne przypadki dwu-dżetowe niezbalansowane energetycznie  przejaw zjawiska „tłumienia dżetów”? h f h f

25 Korelacja w kącie azymutalnym
Central Peripheral Pb pp CMS, PRC 84, (2011) ‘leading’ ‘subleading’ Dane PbPb - Dane odniesienia Dla wszystkich centralności dżety są zasadniczo ‘back-to-back’ (Df~p)  Przejście partonów o dużym pT przez ośrodek nie powoduje silnej dekorelacji kątowej Dalsza analiza dla dżetów ‘back-to-back’, Df>2/3p (rad)

26 Asymetria Niezbalansowanie pędowe dżetów wyznaczane przy pomocy stosunku: Cięcia na pT dżetów wprowadzają ograniczenia na wartości AJ np.: pT,1=120 GeV/c & pT,2>50 GeV/c  AJ<0.41

27 Niezbalansowanie pędowe
Central Peripheral Pb pp CMS, PRC 84, (2011) Dane PbPb - Dane odniesienia Dane odniesienia nie odtwarzają wyników dla PbPb Niezbalansowanie dżetów rośnie z centralnością zderzenia

28 Pierwszy pomiar niezbalansowania dżetów:
ATLAS, PRL 105, (2010) …ale dla małej statystyki Dla CMS statystyka większa; możliwa analiza bardziej różniczkowa

29 Zależność od pT dżetu pT,2/pT,1 rośnie z pT wiodącego dżetu
Pb CMS, arXiv: □ Dane odniesienia Dane PbPb pT,2/pT,1 rośnie z pT wiodącego dżetu Straty energii obserwowane dla wszystkich wartości pT większe dla bardziej centralnych zderzeń brak widocznej zależności od pT

30 Gdzie jest brakujący pT tłumionego dżetu?
Użyta informacja o śladach cząstek naładowanych Metoda brakującego pT||: Obliczamy projekcję pT zrekonstruowanych śladów cząstek naładowanych na oś wiodącego dżetu 1) Wyznaczenie kierunku wiodącego dżetu

31 Gdzie jest brakujący pT tłumionego dżetu?
Użyta informacja o śladach cząstek naładowanych Metoda brakującego pT||: Obliczamy projekcję pT zrekonstruowanych śladów cząstek naładowanych na oś wiodącego dżetu 1) Wyznaczenie kierunku wiodącego dżetu 2) Sumowanie projekcji pT dla wszystkich śladów w przypadku

32 Metoda brakującego pT||
3) Uśrednienie po wszystkich przypadkach by otrzymać średnie brakujące <pT||> Badanie zależności <pT||> od asymetrii AJ: (+) (-) AJ transverse plane (–) (+) jet axis

33 Brakujący pT|| vs. AJ CMS, PRC 84, (2011) Overall balance ! (+) (-) AJ transverse plane (–) (+) jet axis Po uwzględnieniu wszystkich cząstek naładowanych w stanie końcowym równowaga pędowa przywrócona Zbalansowanie w pT przywrócone niezależnie od asymetrii AJ

34 Brakujący pT|| vs. AJ Wkłady od różnych wartości pT:
CMS, PRC 84, (2011) Wkłady od różnych wartości pT: Low pT excess away from leading jet High pT excess towards leading jet balanced dijets unbalanced 0-30% Central PbPb Nadwyżka dużych pT (>8GeV/c) w kierunku wiodącego dżetu zbalansowana przez cząstki o małych pT (<8GeV/c) w kierunku przeciwnym do wiodącego dżetu

35 Brakujący pT|| vs. AJ Zależność kątowa (względem osi dżetu):
CMS, PRC 84, (2011) Zależność kątowa (względem osi dżetu): (ΔR>0.8) All particles (ΔR<0.8) balanced jets unbalanced jets Nadwyżka cząstek z dużym pT wewnątrz stożka równoważona przez cząstki z małym pT na zewnątrz stożka Obserwowana różnica w pędzie dżetów balansowana przez cząstki o małym pT emitowane pod dużymi kątami względem osi dżetu tłumionego

36 Funkcje Fragmentacji dżetów
ułamek pędu partonu niesiony przez hadron: z=pHadron/pParton Oddziaływanie partonu z ośrodkiem (straty energii) może powodować modyfikacje funkcji fragmentacji (FF) partonu, prowadząc do mniejszej liczby cząstek dla dużego z i wzrostu liczby cząstek dla małego z Pomiar funkcji fragmentacji: Używana informacja nt. dżetu i cząstek naładowanych znajdujących się wewnątrz stożka dżetu Stosowane cięcie na min. pT cząstek (eliminacja wkładu od tzw. ”soft underlying event”)

37 FF partonów (ilustracja)
w zmiennej z: w zmiennej x= ln(1/z): z=pHadron/pParton cząstki niosące duży ułamek pędu partonu cząstki niosące mały ułamek pędu partonu

38 FF partonów (ilustracja)
Wpływ cięcia na minimalny pT cząstek: Ogranicza dostępne wartości ξ Silny spadek FF Spadek FF silniejszy dla partonów z mniejszym pT Mierzone w eksperymencie pTrack|| - składowa pędu cząstki wzdłuż osi dżetu

39 FF dla zderzeń PbPb x= ln(1/z) CMS HIN

40 FF dla zderzeń PbPb x= ln(1/z)
CMS HIN Fragmentacja dżetów ”leading” i ”subleading” dla PbPb jak dżetów dla pp Brak zależności od centralności zderzenia

41 FF vs. AJ Różne AJ  różne wartości energii tracone w ośrodku przez parton fragmentujący w dżet ” subleading” symmetric dijets asymmetric dijets 0-30% central PbPb x= ln(1/z) CMS HIN

42 FF vs. AJ Różne AJ  różne wartości energii tracone w ośrodku przez parton fragmentujący w dżet ” subleading” CMS HIN 0-30% central PbPb symmetric dijets asymmetric dijets x= ln(1/z) Fragmentacja nie zależy od energii traconej przez parton Zgodna z fragmentacją w próżni

43 Bezpośredni pomiar strat energii partonu
Photon Jet k Subleading Jet Leading Jet Analiza może być „obciążona”: parton dla dżetu „wiodącego” mógł też oddziaływać z ośrodkiem i stracił część swojej energii Fotony: z początkowej fazy zderzenia (tzw. fotony bezpośrednie (”direct”)) nie oddziałują z ośrodkiem partonowym Bezpośredni pomiar strat energii partonu g-jet event f h Pierwsza analiza przypadków g-jet: CMS, arXiv: Eksperymentalnie badane tzw. fotony izolowane (odrzucane tło, m.in. z rozpadów p0, h)

44 Korelacja w kącie azymutalnym
Pb CMS, arXiv: Dane PbPb - Dane odniesienia Zgodność danych PbPb z MC (dane odniesienia) Dla wszystkich centralności zderzenia foton i dżet są ‘back-to-back’ (DfJg ~p)

45 Niezbalansowanie pędowe
xJg = pTJet/pT g vs. Centralność Pb <xJg>: Różnica pomiędzy danymi odniesienia a PbPb – wartości dla PbPb są mniejsze Przy przejściu przez ośrodek parton traci energię CMS, arXiv:

46 RJg vs. Centralność RJg:
Pb RJγ – ułamek fotonów stowarzyszonych z dżetami powyżej progu RJg: Maleje z centralnością zderzenia (pT dżetu przesuwa się poniżej progu – dżet jest tracony) CMS, arXiv:

47 Podsumowanie (I): Czynnik modyfikacji jądrowej przy LHC
CMS, PRL 106, (2011) CMS, PLB 710, 256(2012) Z0 i fotony - nie oddziałują silnie więc nie są tłumione, RAA=1 Hadrony – są tłumione, RAA<1 CMS, EPJC 72, 1945(2012) ALICE, PLB 696, 30(2011)

48 Podsumowanie (II): Przypadki dwu-dżetowe
1. Ośrodek nie powoduje dekorelacji kątowej partonów (Df ~p) 2. Duże niezbalansowanie w pT dla dżetów (AJ) 3. Równowaga w pT -uwzględniając cząstki o małych pT i dużych kątach 5. Partony fragmentują jak w próżni, niezależnie od energii straconej w ośrodku 4. Straty energii partonów w ośrodku dla wszystkich pT ATLAS, PRL 105, (2010) CMS, PRC 84, (2011) CMS, arXiv: CMS, HIN

49 Podsumowanie (III): Przypadki foton-dżet
Bezpośredni pomiar: strata energii dżetu vs. początkowa energia partonu |ΔfJg| Jet g 1. Ośrodek nie powoduje dekorelacji kątowej fotonu i dżetu (DfJg ~p) 2. Z centralnością zderzenia, przesunięcie dżetu stowarzyszonego z fotonem w kierunku mniejszych pT (xJg, RJg) CMS, arXiv:

50 Dziękuję za uwagę!