www. phenix.bnl.gov Marcin Zawisza

PHENIX Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment Według oficjalnej strony www eksperymentu jest to największy eksperyment z obecnie pracujących w RHIC Zaprojektowany do badania zderzeń ciężkich jonów i protonów przy wysokich energiach Szczególnie dobry do pomiarów bezpośrednich elektronów, mionów i fotonów Głównym celem PHENIXa jest odkrycie i badanie nowego stanu materii zwanego Plazmą Kwarkowo- Gluonową (ang. Quark-Gluon Plazma)

Lokalizacja Eksperyment PHENIX znajduje się w Brookhaven National Laboratory na wyspie Long Island około 60 mil na wschód od Nowego Jorku.

Historia

 Sierpień 1991: PHENIX „powstał z popiołów” proposali czterech innych proponowanych eksperymentów – TALES, SPARC, OASIS, DIMUON  : Zaprojektowany, zbudowany i zainstalowany w RHIC  Grudzień 1998: powódź zatopiła część elektroniki  15 czerwca 2000 o 6:28 (EDT): PHENIX zarejestrował pierwsze zderzenie ciężkich jonów

Lato 2000: PHENIX zbiera dane ze zderzeń złoto-złoto przy energii 130GeV/nukleon (RHIC Run-1) 27 Lutego 2001: Pierwsza publikacja dla Physical Review Letters Od maja 2001 do stycznia 2002: Zbieranie danych ze zderzeń złoto-złoto i protonów przy energii 200GeV/nukleon (RHIC Run2) Od marca do maja 2003: Zbieranie danych ze zderzeń deuteron-złoto i protonów (200GeV/nukleon, RHIC Run-3)

18 czerwca 2003: wszystkie cztery eksperymenty z RHICa w tym PHENIX publikują pierwsze prace ze zderzeń deuteron-złoto, potwierdzające istnienie nowego stanu materii o unikalnych właściwościach Od grudnia 2003 do maja 2004: PHENIX zbiera dane ze zderzeń złoto-złoto oraz proton-proton (RHIC Run-4)

Kolaboracja

Ponad 430 naukowców i inżynierów z całego świata

Detektory

Eksperyment PHENIX składa się z serii detektorów, z których każdy pełni specyficzną rolę w pomiarach, cząstek produkowanych w zderzeniach ciężkich jonów. Detektory są pogrupowane na trzy części:  Część centralna central arms – pomiar różnorodnych cząstek: pionów, kaonów, deuteronów, fotonów i elektronów  Część mionowa muon arms – wspomaga identyfikację mionów  event charecterization detectors – dostarczają dodatkowych informacji o zderzeniach Trzy wielkie magnesy – zakrzywiają trajektorię lotu naładowanych cząstek

Część centralna Drift Chamber - Komora Dryfowa mierzy pozycję i pęd naładowanych cząstek dostarcza wstępnej informacji do identyfikacji torów cząstek Czas dryfu elektronów, zjonizowanych przez przez cząstkę naładowaną, od punktu jonizacji do anody może zostać przeliczony na dystans.

Pad Chambers pomiar pozycji naładowanych cząstek cel/m 2 dryf elektronów, ustalanie pozycji na podstawie rozkładu ładunku

Ring Imaging Cherenkov Identyfikacja elektronów powstałych w rozpadach cząstek i konwersjach kwantów gamma. Każde skrzydło zawiera 48 lustrzanych paneli, które skupiają promieniowanie Czerenkowa na fotodetektorach

Time Expansion Chamber (specjalny rodzaj TPC) pomiar pozycji i pędu naładowanych cząstek, identyfikacja cząstek uzupełnia informacje o torach cząstek identyfikacja cząstek naładowanych poprzez pomiar strat energii na jonizację w ośrodku

Time-of-Flight pomiar pozycji naładowanych cząstek, identyfikacja cząstek posiada możliwość jednoczesnego pomiaru hadronów, leptonów i fotonów. rozdzielczość czasowa: 100ps 960 plastykowych scyntylatorów położonych 5 metrów od wierzchołka pomiędzy Pad Chambers i Electromagnetic Calorimeters

Electromagnetic Calorimeter pomiar pozycji i energii naładowanych i neutralnych cząstek, identyfikacja fotonów i cząstek naładowanych Cząstki naładowane wywołują promieniowanie Czerenkowa o długości fali zależnej od energii cząstek Elementy detekcyjne: PbSc – scyntylator PbGI – szkło ołowiowe

Część mionowa (pokrywa pełen kąt azymutalny) Muon Tracker pomiar pozycji i pędu mionów dwa ramiona absorbent:  ~10 -4 Jest to detektor gazowy: 50%-Ar 30%-CO 2 20%-CF 4

Muon Identifier identyfikacja mionów seperuje miony od innych cząstek w 5-cio warstwowej kanapce z płaskimi prostopadle ustawionymi plastykowymi tubami proporcjonalnymi (6340 tub = 3170 kanałów)

Event Charecterization Detectors Beam-Beam Counters (2szt. 145cm od środka) wyznacza położenie kolizji i centralność, pomiar time-of-flight wyzwala pomiar time-of-flight Mierzony jest średni czas uderzeń po dwóch stronach zderzenia i na tej podstawie wyznaczany jest wierzchołek zderzenia.

Zero Degree Calorimeters wyznacza położenie i centralność zderzenia Reakcje peryferyjne mają bardzo mały pęd poprzeczny więc detektor musi być umieszczony daleko od miejsca kolizji

Forward Calorimeters dla zderzeń deuteron-złoto wyznacza przeżywalność oryginalnych protonów i neutronów pochodzących z deuteronu Element detekcyjny: scyntylator ołowiowy Dwa kalorymetry, mimo że przydałby się jeden, ale nigdy nie wiadomo, z której strony przyleci złoto, a z której deuteron.

Multiplicity Vertex Detector pomiar położenia kolizji oraz rozkładu naładowanych cząstek Umieszczony w centrum eksperymentu. Jest to pierwszy detektor rejestrujący cząstki. Mierzy rozkład ładunku cząstek. Wyznacza wierzchołek zderzenia z rozdzielczością 2mm. Zbudowany z serii półprzewodnikowych detektorów paskowych, ułożonych w dwa cylindry.

Magnesy zakrzywiają tory naładowanych cząstek, tak że ich ładunek i pęd mogą być mierzone zarówno w części centralnej jak i mionowej detektora

PHENIX jest zaprojektowany do mierzenia elektronów, fotonów i mionów, ale doskonale radzi sobie z rejestracją hadronów w bardzo szerokim zakresie. A.D. Frawley: Phenix higlights, QM2004

Dziewięć kroków od kolizji do publikacji

Krok 1 Kolajder RHIC przyspiesza jony do prędkości bliskiej prędkości światła i zderza je w detektorze PHENIX

Krok 2 W wyniku kolizji może zostać wyprodukowanych ponad 5000 cząstek. Wiele z tych cząstek podróżuje z prędkością bliską prędkości światła. Około 10% tych cząstek przechodzi przez detektory PHENIXa gdzie mogą zostać zidentyfikowane

Krok 3 - Decyzja o rejestracji zderzenia Po kolizji detektor musi bardzo szybko zadecydować czy zdarzenie jest interesujące i czy powinno zostać zarejestrowane. Decyzja musi zostać podjęta zanim sygnały od cząstek zostaną usunięte z układów elektronicznych. Zespół detektorów, elektroniki i oprogramowania realizujący te zadania nazywa się wyzwalaczami (ang. trigger) Jeżeli trigger zostanie wyzwolony to zdarzenie jest rejestrowane

PHENIX ma dwa poziomy trigerów Level 1 – super szybki Level 2 – bardziej złożony, ma więcej czasu na analizę niż Level 1

Krok 4 – Sygnały z detektorów są rejestrowane Po decyzji trigera o rejestracji zderzenia, sygnały z detektorów są przesyłane światłowodami do urządzenia zwanego Event Builder, który łączy informacje z detektorów w jeden cyfrowy sygnał i zapisuje na dysku. Cały proces zbierania sygnałów z detektorów, i zapisu na dyskach jest nazywany Data Acquisition

Krok 5 – Monitorowanie detektora Kiedy PHENIX zbiera dane jest monitorowany przez co najmniej 5 naukowców przez 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, przez kilka miesięcy. Jednym z najważniejszych zadań obsługi jest monitorowanie zbieranych danych i sprawdzanie czy zderzacz oraz detektory pracują poprawnie.

Krok 6 - the RHIC Computing Facility - RCF RHIC posiada jeden z najwydajniejszych systemów komputerowych na Świecie. Dane po zapisie są przesyłane ponad dwumilowym kablem do RCF, gdzie są składowane na wielkich taśmach. Wszyscy naukowcy współpracujący z PHENIXem mają dostęp do tych danych z każdego miejsca na Świecie.

Komputery w PHENIXie pracują z systemem Redhat Linux zamiast z Windows. Większość oprogramowania jest napisana w C++, ale część została napisana w Javie, C i Fortranie #include int main(int argc, char* argv[]){ int i, j; for (i=0; i<100; i++). return result; }

Krok 7 – Rekonstrukcja zdarzeń Dane zapisane z detektorów wymagają konwersji do odpowiednich zmiennych. Dzięki temu możliwa staje się analiza na przykład pod kątem badania energii lub pędów cząstek. Ten proces nazywany jest Event Reconstruction.

Rekonstrukcja zdarzeń:  Kalibracja każdego detektora z osobna  Rozdzielenie poszczególnych cząstek  Identyfikacja poszczególnych cząstek określenie pędu energii ładunku Wyniki konwersji zapisywane są do osobnych plików, które fizycy biorą do analizy.

Krok 8 – analiza danych Kiedy wszystkie dane są już właściwie przygotowane naukowcy mogą zabrać się do ich analizy fizycznej. Prowadzone są szczegółowe analizy mające na celu próbę znalezienia odpowiedzi na pytanie: co się stało w momencie zderzenia? Czy powstała plazma kwarkowo-gluonowa? Analiza danych odbywa się z wykorzystaniem środowiska ROOT, stworzonego specjalnie na potrzeby fizyków

Krok 9 - Opracowane wyniki są publikowane w czasopismach naukowych i prezentowane na konferencjach 24 publikacje

PHENIX w liczbach   całkowita waga magnesów i stali = 1657 ton  całkowita waga całego PHENIXa to ponad 3000 ton  Większy niż dom: 40 stóp szerokości, 4 piętra wysokości  W ciągu jednego roku PHENIX zbiera wystarczająco dużo danych żeby nagrane nimi dyskietki pokryły osiem linii kolejowych z BNL na Manhatan i z powrotem.

 Wiązki jonów zderzają się przy prędkości % prędkości światła  Temperatura podczas zderzenia jest ponad trylion ( ) razy większa niż na Słońcu  Jony są tak małe, że nawet przy prędkościach bliskich prędkości światła siła zderzenia jest porównywalna z siłą zderzenia się dwóch komarów.

Misja naukowa PHENIXa

PHENIX prowadzi badania zderzeń ciężkich jonów i protonów przy bardzo wysokich energiach, a podstawowe cele tej misji są następujące:   Poszukiwania nowego stanu materii zwanego plazmą kwarkowo-gluonową,  W przypadku znalezienia plazmy, badanie jej właściwości  Badanie materii w warunkach bardzo wysokich temperatur (~200MeV)  Poszukiwanie odpowiedzi na pytanie: skąd proton bierze swój spin  Badanie najbardziej elementarnych składników materii i sił nimi rządzących

PHENIX rezultaty pracy

Odkryto pojawianie się tłumienia cząstek o dużym momencie poprzecznym w zderzeniach Au+Au Cząstki o dużym pędzie poprzecznym poruszają się szybciej i mają większą energię, ale są rejestrowane stosunkowo rzadko. PHENIX zaobserwował mniejszą ilość takich cząstek w porównaniu z przewidywaniami opartymi o zderzenia protonów. Taki efekt był przewidywany w przypadku pojawienia się QGP i jest określany mianem tłumienia dżetów Jet Suppression, ponieważ większość cząstek o dużym pędzie poprzecznym jest produktem zjawiska zwanego dżetami jets.

Brak tłumienia cząstek o dużym momencie poprzecznym w zderzeniach d+Au W celu potwierdzenia obserwacji tłumienia przepro- wadzono eksperyment kontrolny wiosną 2003 roku. W zderzeniach d+Au QGP nie powinna się pojawić i zaobserwowano większą produkcję cząstek o dużym pędzie poprzecznym. Obserwacje te wskazały, że zauważone tłumienie dżetów w zderzeniach Au+Au może być wynikiem pojawienia się plazmy.

d+AuAu+Au Near Far Min Bias 60-90% d+AuAu+Au Near Far Min Bias 0-10% Dżety wyprodukowane na granicy strefy, mogą przetrwać i „odlecieć” Partner zostaje skierowany do środka strefy zderzenia i zostaje stłumiony Peryferyjne Au+Au podobne do d+Au Centralne Au+Au pokazuje tłumienie przeciwnego dżeta Uciekający dżet “Near Side” Stracony dżet “Far Side” The PHENIX Experimentat RHIC Thomas K Hemmick: The PHENIX Experimentat RHIC

Zupełnie inne i zmieniające się przeciwnie z centralnością zależności dla d+Au i Au+Au Tłumienie dżetów jest wyraźnie związane ze stanem końcowym The PHENIX Experimentat RHIC Thomas K Hemmick: The PHENIX Experimentat RHIC

Jest więcej protonów niż pionów o dużym pędzie poprzecznym PHENIX jest wstanie zidentyfikować różne typy cząstek w tym piony, kaony czy protony. Badania wykazały, że po zderzeniu wśród cząstek o dużym pędzie poprzecznym jest więcej protonów niż pionów. Może to wskazywać na to, że procesy odpowiedzialne za produkcje tych cząstek są inne dla zderzeń ciężkich jonów. Odkryto również porównywalne ilości protonów i antyprotonów co wskazuje na warunki sprzyjające produkcji w plazmie kwarkowo-gluonowej

p/  znacznie wzrasta dla centralnych zderzeń Au+Au A.D. Frawley: Phenix higlights, QM2004

Efekt Cronina: Wielokrotne zderzenia rozszerzają zakres widma p T. A.D. Frawley: Phenix higlights, QM2004

Mezon  ma masę zbliżoną do masy protonu  jest tłumione w przeciwieństwie do protonów, co wskazuje na to, że pojawiający się efekt nie jest związany z masą lecz jest wynikiem różnic na poziomie mezon/barion A.D. Frawley: Phenix higlights, QM2004

Obserwowanych jest bardzo dużo wyprodukowanych cząstek. PHENIX pokazał produkcję wielu dodatkowych cząstek produkowanych w zderzeniach Au+Au w porównaniu z przewidywaniami na podstawie zderzeń protonów. Wskazuje to na warunki sprzyjające powstaniu plazmy kwarkowo-gluonowej. Więcej cząstek jest produkowana gdy jony zderzają się centralnie.

Zaobserwowano dużą produkcję energii poprzecznej PHENIX jest w stanie mierzyć ilość energii niesionej w kierunku poprzecznym do kierunku wiązki jonów. Tak jak liczba produkowanych cząstek, tak i całkowita energia poprzeczna jest większa gdy jony zderzają się centralnie. Na podstawie tych danych oszacowano gęstość energii w centrum kolizji, która jest około 30 razy większa niż w normalnych jądrach atomowych.

Źródło produkowanych cząstek jest duże i krótko żyjące. Korelacje - technika zapożyczona z astronomii umożliwiła badanie rozmiarów źródła produkowanych cząstek. Poprzeczny rozmiar źródła wydaje się być dużo większy niż oryginalny rozmiar jądra złota i żyje przez bardzo krótki czas.

Interferometria Mike Heffer: Two-Particle interferometry in Phenix, QM2004

Sygnał pochodzący od elektronów jest powyżej sygnału tła PHENIX jest wyjątkowy w RHICu ponieważ jest w stanie identyfikować poszczególne elektrony pochodzące z kolizji. Wiele z nich jest rezultatem rozpadów cięższych cząstek. PHENIX rejestruje liczbę elektronów, która przewyższa spodziewany sygnał tła. Nadmiar elektronów prawdopodobnie pochodzi od cząstek zawierających kwark powabny: (charm – c). Dalsze badania nad cząstkami powabnymi pozwolą lepiej zrozumieć czy QGP powstała.

Nieprzypadkowe fluktuacje Przejściu fazowemu zwykle towarzyszą pewne fluktuacje niektórych właściwości układu. PHENIX zarejestrował fluktuacje ładunku i średniego pędu poprzecznego w każdym zderzeniu. Niewielkie fluktuacje ładunku mogą być widziane jeżeli pojawia się przejście do QGP. Nadmiar fluktuacji w pędzie poprzecznym pojawia się jako rezultat obecności cząstek pochodzących od dżetów. Zachowanie fluktuacji jest zgodne ze zjawiskiem tłumienia dżetów.

Interesujące zależności fluktuacji p T w zależności od N part i p T max A.D. Frawley: Phenix higlights, QM2004

Particle flow effect W PHENIXie obserwuje się znaczny efekt płynięcia cząstek. Efekt ten jest wynikiem zderzenia ciężkich jonów. Cząstki o wysokim pędzie poprzecznym pokazują efekt płynięcia, który nie jest jeszcze dobrze rozumiany i może być wynikiem istnienia plazmy kwarkowo-gluonowej.

Więcej cząstek lambda PHENIX jest w stanie identyfikować cząstki dziwne. Są one interesujące, ponieważ kwarki dziwne nie są obecne w jądrach, więc muszą być produkowane. W plazmie kwarkowo-gluonowej są warunki sprzyjające produkcji dziwności. Cząstki lambda są rejestrowane w znacznie większej ilości niż wynika o z przewidywań.

Anty penta kwark? A.D. Frawley: Phenix higlights, QM2004

W tym temacie na dzień dzisiejszy to by było na tyle to by było na tyle

Źródła: