Fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkich jonów Część I: Motywacja Cele fizyczne Akceleratory & Eksperymenty Eksperyment PHOBOS przy akceleratorze RHIC Aparatura Selekcja przypadków Część II: Eksperyment PHOBOS przy akceleratorze RHIC Plany na przyszłość Przegląd wyników doświadczalnych 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

PHOBOS – dane doświadczalne Odkrycie nowego stanu materii Plan PHOBOS – dane doświadczalne Odkrycie nowego stanu materii - przewidywania vs. obserwacje - ewidencja w oparciu o wyniki eksperymentu PHOBOS Przyszłość: ATLAS na akceleratorze LHC Badanie zderzeń Pb+Pb przy energii sNN = 5500 GeV 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Dane z eksperymentu PHOBOS Liczby przypadków zapisanych na taśmę w milionach: sNN(GeV) p+p d+Au Cu+Cu Au+Au 410 20 200 100 150 400 250 130 4.3 62.4 110 22 55.9 1.8 22.5 19.6 ~1 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Dane z eksperymentu PHOBOS Podłużne charakterystyki naładowanych cząstek badane w funkcji pseudorapidity, : 19.6 GeV 62.4 GeV 130 GeV 200 GeV centralność Au+Au Cu+Cu d+Au Eksperymenty, które badają zderzenia wysoko-krotne lub mają ‘ubogą’ aparaturę używają “pseudorapidity” 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Dane z eksperymentu PHOBOS Asymetrie w rozkładach kątów azymutalnych: dN/d() = N0 {1 + 2v1cos () + 2v2cos (2) + ... )} 19.6 GeV 62.4 GeV 130 GeV 200 GeV Au+Au Au+Au Cu+Cu Cu+Cu 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Dane z eksperymentu PHOBOS Poprzeczne charakterystyki naładowanych cząstek badane w funkcji pT: 62.4 GeV 200 GeV centralność Au+Au Cu+Cu d+Au 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Dane z eksperymentu PHOBOS Identyfikacja cząstek naładowanych w szerokim zakresie pT: pT (GeV/c) 0.03 0.5 5.0 Cząstki zatrzymujące się (Kraków) dE/dx TOF Eloss (MeV) 1 2 3 4 5 p (GeV/c) 30 40 50 60 70 1/v (ps/cm) p+p K +K + - ++-  K p d 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

...Krotności produkowanych cząstek... 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Pojedynczy przypadek: ‘rozwinięty’ w  f Vertex Spec Spec -5.4 -3 +3 +5.4 h Pierścienie Oktagon Pierścienie 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Krotność naładowanych cząstek Centralne zderzenia Au+Au Całkowita krotność naładowanych cząstek-Nch: 5060±250 @ 200 GeV 4170±210 @ 130 GeV 1680±100 @ 19.6 GeV 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Pomiary w centralnym obszarze rapidity W zderzeniach nukleon-nukleon (NN), badamy wysokość “plateau” W zderzeniach A+A, normalizujemy gęstość cząstek na parę oddziaływujących nukleonów, aby bezpośrednio porównać z NN (mid-rapidity) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Gęstość cząstek produkowanych w środkowym obszarze rapidity dla centralnych zderzeń Au+Au 6% centralność <Npart> = 344  10 Teoria 1999 Teoria 2000 PHOBOS 2001 PHOBOS 2000 PRL 85 (2000) 3100 PRL 88 (2002) 022302 Każde efektywne zderzenie nukleon-nukleon w centralnych zderzeniach jądro-jądro produkuje ok. 50% więcej cząstek niż zderzenie pp! 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Ekstrapolacja do zderzeń Pb+Pb @LHC Ekstrapolacja do LHC sNN(LHC)=30 sNN(RHIC) A + A Fit dN/d  1300 Model saturacji dN/d  2000 HIJING MC dN/d  6000 200 GeV Au+Au 6% najbardziej centralnych przypadków dN/d = 655  35 50% więcej niż w p+p 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

...Odkrycie nowego stanu materii... 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Przewidywania dla zderzeń A+A Rachunki Chromodynamiki Kwantowej na sieciach: Gwałtowny wzrost gęstości energii,  (T) przy temperaturze Tcrit = 191  8 MeV crit = 0.7  0.2 GeV/fm3 Wzrost gęstości energii jest związany ze wzrostem liczby stopni swobody Materia istnieje w dwóch różnych fazach powyżej i poniżej Tcrit, crit . Zmienne termodynamiczne osiągają 80% wartości charakterystycznej dla idealnego gazu nieoddziaływujących cząstek (granica Stefan-Boltzmann’a). Kreacja nowego stanu materii, tzw. Plazmy Kwarkowo-Gluonowej (QGP), złożonego ze swobodnych kwarków i gluonów 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Ewidencja w oparciu o wyniki uzyskane przez Współpracę PHOBOS RHIC: Odkrycia Wyniki uzyskane dla centralnych zderzeń Au+Au przy energii sNN = 200 GeV przez cztery eksperymenty: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS i STAR wskazują na: Kreację nowego stanu materii o bardzo dużej gęstości energii (najwyższej wyprodukowanej w warunkach laboratoryjnych) Stanu tego nie można opisać przy pomocy ‘hadronowych’ stopni swobody Składniki tego nowego stanu materii oddziaływają bardzo silnie; system zachowuje się jak idealna ciecz (lepkość  0). To nie jest przewidywana słabo-sprzężona plazma kwarkowo-gluonowa! From the data taken thus far with the following conclusions can be drawn We are only at the start of understanding the properties of this system Ewidencja w oparciu o wyniki uzyskane przez Współpracę PHOBOS 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

...Kreacja stanu materii o ekstremalnie wysokiej gęstości energii... 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Gęstość energii Centralne zderzenia Au+Au , s = 200 A GeV Energia niesiona przez cząstki o porównywalnych poprzecznych i podłużnych składowych pędu (~równowagi termicznej) Gęstość cząstek naładowanych: dNch/d = 655  35 =1 =-1 45o Rozkłady pT: Epart = 0.6 GeV Poprawki na cząstki neutralne oraz te dla których pL  pT : Etot(||1) = 1600 GeV Objętość w której zdeponowana jest energia Rozmiar poprzeczny ~150 fm2 (Au ) Rozmiar podłużny ~2.0 fm (2 fm=czas do osiągnięcia równowagi, oszacowany z pomiarów anizotropii pędowych) Konserwatywne oszacowanie dolnej granicy na gęstość energii  13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Gęstość energii Centralne zderzenia Au+Au , s = 200 A GeV Gęstość energii w nukleonie ≈ 0.5 GeV/fm3 Gęstość energii w jądrze ≈ 0.15 GeV/fm3 Stanu materii o tak dużej gęstości energii nie można opisać przy pomocy ‘hadronowych’ stopni swobody 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

...Kreacja stanu materii o wypadkowej liczbie barionowej (B-B)  0... 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Pomiary stosunków antycząstek do cząstek Dwu-ramienny spektrometr magnetyczny B=2T z -x 10 cm y 70 cm Dokładność pomiaru pędu 1 – 2 % Odwracalne pole magnetyczne Dwa symetryczne ramiona Seria niezależnych pomiarów Poprawki na akceptancję i wydajność znoszą się 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Siła pola magnetycznego odtwarzana z dokładnością lepszą niż 1% Magnes By (T) B Field Map Siła pola magnetycznego odtwarzana z dokładnością lepszą niż 1% cm 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Stosunki cząstek – zależność od energii A+A central collisions K–/K+ p/p Wypadkowa gęstość barionowa w obszarze mid-rapidity szybko spada z energią (B/B  1) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Barionowy potencjał chemiczny, B B – miara energii, którą należy dodać do systemu aby wyprodukować pojedynczy barion Normalna ‘zimna’ materia jądrowa: B  920 MeV Zmierzone <K–>/<K+> i <p>/<p> + statystyczny model (F. Becattini et al.,PRC64,024901,2001) z T  160 – 170 MeV  B 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

B – zależność od energii Oszacowany barionowy potencjał przy sNN = 200 GeV: B = 26  2 MeV LHC ~1 MeV? Materia ~ wolna od barionów, tak jak we wczesnym Wszechświecie 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

…silne oddziaływania pomiędzy składniki tego gorącego stanu… 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Kolektywny wypływ (‘flow’) cząstek Początkowa anizotropia w (x,y) Płaszczyzna reakcji x z y - definiuje R, (kierunek parametru zderzenia) Zderzenie A+A, b  0 y f x Rozpraszanie cząstek Flow pattern of thousands of produced particles; It is very difficult to convert the spatial anisotropy of the matter Distr. Into a momentum space anisotropy once the system cools down and pressure gradients Can not be set up. Efekty czułe na: wczesne etapy ewolucji systemu (gradient ciśnienia przy maksymalnej kompresji materii) równanie stanu, które rządzi ewolucją stopień osiągniętej równowagi (wtórne rozproszenia cząstek) Końcowa anizotropia w (px,py) py px 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Efekty kolektywne – wypływ eliptyczny Widok zderzenia w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny reakcji (x’  , z  oś wiązki): y’ y x’ R x b Początkowa deformacja w układzie współrzędnych Rozpraszanie cząstek Asymetria azymutalna w rozkładach pędów „wypływ eliptyczny” 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Kolektywny wypływ (‘flow’) cząstek px py Pomiar końcowej anizotropii azymutalnej (f-R) Rozwinięcie Fourierowskie rozkładów kątów azymutalnych: dN/d( - R ) = N0 (1 + 2v1cos (- R) + 2v2cos (2(- R)) + ... ) Elliptic Flow: v2 Flow pattern of thousands of produced particles; It is very difficult to convert the spatial anisotropy of the matter Distr. Into a momentum space anisotropy once the system cools down and pressure gradients Can not be set up. 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Wypływ eliptyczny v2 > 0 PHOBOS: Au+Au sNN=200 GeV  Silne oddziaływania między cząstkami we wczesnym etapie ewolucji systemu Po raz pierwszy przy energiach akceleratora RHIC współczynnik anizotropii jest poprawnie opisany przez modele hydrodynamiczne, zakładające idealny przepływ (mfp=0)!! The system does not behave anything like a weakly interacting gas of q and g; it is more like a liquid (mfp=0) with very low viscosity (zero resistance to flow) Radial and elliptic flow surprisingly well described by ideal hydrodynamics 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Produkcja cząstek o bardzo małych pT Jeżeli powstaje układ słabo-oddziaływujących cząstek, to spodziewamy się wzmocnionej produkcji cząstek o bardzo małych pędach poprzecznych (długości fal rozmiaru systemu). PHOBOS jest jedynym eksperymentem, który pozwala na pomiar cząstek o bardzo małych pędach. Enhanced ...long-wavelengths, up to the overall size of the system (particles initially produced With low velocity are subsequently Accelerated by the interactions. Pomiar: (+ + -) (K+ + K-) ( p + p ) z pT = 0.030 – 0.200 GeV/c w zależności od masy cząstki Analiza wykonana w Krakowie Dr Adam Trzupek doktorant, magistrantka 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

(metoda energia-zasięg) Szukanie cząstek zatrzymujących się w 5-tej płaszczyźnie spektrometru Pomiar masy (metoda energia-zasięg) X[cm] A B C D E F Z[cm] Beam pipe 20 Eloss=dE Mp = <dE/dx>Eloss m (1/2) ( m2) 10 Cięcia na dE/dx w k.płaszcz. ”Sprawdzenie hipotezy masowej” 0 10 20 Z [cm] P Ek=21 MeV Cięcia na Eloss (Ek=energia kinetyczna) ”Sprawdzenie hipotezy pędowej” K Ek=19 MeV dE/dx  Ek= 8 MeV Poprawki akceptancja wydajność tło A B C D E Płaszczyzna Si 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Metoda c.d. Wyniki MC DANE Sprawdzenie metody: Au+Au sNN=200 GeV 15% centralne Sprawdzenie metody: Rekonstrukcja cząstek MC o małych pędach (p,p) (p,p) Eloss <dE/dx>[10-3GeV2/cm] Eloss <dE/dx>[10-3GeV2/cm] (K+,K–) (K+,K–) (+,) (+,) MC DANE Eloss [MeV] Eloss [MeV] 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Produkcja cząstek o bardzo małych pT Centralne zderzenia Au+Au sNN = 200 GeV Nie obserwuje się wzmocnionej produkcji cząstek o małych pT (30 MeV/c dla ) Widma wypłaszczają się przy małych pT, silniej dla cięższych cząstek. mT = pT2+mh2 TBE= 229 MeV for (++-) 293 MeV for (K++ K-) 392 MeV for (p + p) Enhanced ...long-wavelengths, up to the overall size of the system (particles initially produced With low velocity are subsequently Accelerated by the interactions.  Poprzeczna ekspansja systemu przyśpiesza cząstki początkowo wyprodukowane z małymi pędami. Pośrednia ewidencja, że cząstki silnie oddziaływają! 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Produkcja cząstek o dużych pT b p+p: twarde rozproszenie w ‘próżni’ QCD (z dużym przekazem czteropędu) c d a b A+A: Twarde rozproszenie w gorącej materii QCD Tłumienie produkcji cząstek o dużych pT związane ze stratami energii partonów przechodzących przez gorący/gęsty ośrodek (J.D.Bjorken,1982) „jet quenching” The coupling strength becomes too weak to maintain local equilibrium thus hydro is not applicable, but pQCD provides quantitative predictions For high momentum transfer processes, induced via short-range interactions, the perturbative QCD factorization theorem should hold: 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Produkcja cząstek o dużych pT Dla procesów z dużym przekazem pędu obowiązuje faktoryzacja QCD: każde zderzenie nukleon-nukleon może być źródłem twardego rozproszenia. Czynnik modyfikacji jądrowej: ‘gęsta materia QCD’/’próżniaQCD ’ Ncoll – liczba zderzeń N - N RAA The coupling strength becomes too weak to maintain local equilibrium thus hydro is not applicable, but pQCD provides quantitative predictions For high momentum transfer processes, induced via short-range interactions, the perturbative QCD factorization theorem should hold: |twarde rozproszenia” RAA=1 (skalowanie z Ncoll ) Brak efektów jądrowych pT(GeV/c) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Tłumienie produkcji hadronów o dużych pT Stosunek rozkładów pT: AA/pp PLB 578 (2004) 297 pT (GeV/c) RAuAu mid- peripheral central RAA – Czynnik modyfikacji jądrowej RAA =1 w przypadku skalowania z liczbą zderzeń nukleon-nukleon RAA > 1 dla reakcji przy niższych energiach: SPS i ISR RAA < 1 dla centralnych zderzeń A+A przy energii RHIC 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Dwa alternatywne wytłumaczenia efektu tłumienia: Tłumienie produkcji hadronów o dużych pT Dwa alternatywne wytłumaczenia efektu tłumienia: Straty energii partonów w gęstym ośrodku (w stanie końcowym)? Wskazują na kreację silnie oddziaływującej materii o dużej gęstości (QGP)! Tłumienie w stanie początkowym? Wskazuje na efekty wielo-partonowe w jądrowej funkcji falowej (Saturacja w rozkładach gęstości partonów przy wysokich energiach) Rozstrzygnięcie poprzez ‘wyłączenie’ stanu końcowego Au+Au  d+Au 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Tłumienie produkcji cząstek o dużych pT Dla centralnych zderzeń Au+Au produkcja cząstek jest tłumiona w porównaniu do danych p+p przeskalowanych przez Ncoll Brak tłumienia dla zderzeń d+Au RAA<<1 RAA  1 All four experiments showed results that indicate a large suppression (up to a factor of 5) of high pT hadrons relative to the scaled pQCD expextations as shown here from PHOBOS measurements; The suppression grows as one gets to more and more central collisions; Partons loose energy and thus all their frgmentation products end up with lower momenta Direct evidence that high energy Density matter interacts verystrongly with High pT partons or with whatever Constituents comprise the dominant dof At this early stage. 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Tłumienie produkcji cząstek o dużych pT PHOBOS: Au+Au d+Au PLB 578 (2004) 297 pT (GeV/c) RAuAu mid- peripheral central RdAu Au+Au mid-rapidity, 0.2<y<1.4 PRL 91 (2003) 072302 All four experiments showed results that indicate a large suppression (up to a factor of 5) of high pT hadrons relative to the scaled pQCD expextations as shown here from PHOBOS measurements; The suppression grows as one gets to more and more central collisions; Partons loose energy and thus all their frgmentation products end up with lower momenta Direct evidence that high energy Density matter interacts verystrongly with High pT partons or with whatever Constituents comprise the dominant dof At this early stage. Bezpośrednia ewidencja, że partony o dużym pT oddziaływają z materią o dużej gęstości energii! 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Odkrycie nowego stanu materii o ekstremalnie wysokiej Podsumowanie Odkrycie nowego stanu materii o ekstremalnie wysokiej gęstości energii, którego składniki bardzo silnie ze sobą oddziaływają. Oczekiwano ‘gaz’ Znaleziono ‘ciecz’ Składniki nowego stanu materii?? Obiekty złożone, także kolorowe Czarna dziura??  teorie strun (supersymetryczne) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Podsumowanie: PHOBOS Interesujące perspektywy ciekawych analiz Znaczący wkład do odkrycia nowego stanu materii Szereg innych ciekawych wyników dotyczących mechanizmu produkcji cząstek Interesujące perspektywy ciekawych analiz danych doświadczalnych dla nowych współpracowników, studentów, doktorantów… 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Badanie zderzeń ciężkich jonów Przyszłość: Badanie zderzeń ciężkich jonów przy pomocy detektora ATLAS@LHC 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Od RHIC’a do LHC Super-gorąca QCD: Czy zobaczymy ‘gaz’ q-g?? sNN : 200 GeV 5,500 GeV Super-gorąca QCD: Czy zobaczymy ‘gaz’ q-g?? Stan początkowy całkowicie nasycony (CGC-Kolorowy kondensat szklany) Dramatyczny wzrost procesów z dużym pT w porównaniu do RHIC’a Mnóstwo ciężkich kwarków (b,c) Możliwość badania słabo-oddziaływujących obiektów (Z0, W) LHC RHIC SPS 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Procesy twardych rozproszeń Twarde procesy – domena pomiarów przy akceleratorze RHIC dużo interesujących wyników Możliwość ilościowego porównania z teorią Nowe wyniki z ostatniego i kolejnych seansów akceleratora RHIC Ale naprawdę właściwe miejsce do badania twardych procesów to akcelerator LHC i eksperyment ATLAS!!! ATLAS rejestrowane jety w centralnych zd. Pb-Pb (1 miesiąc brania danych) Jet pT > 50 GeV 30 milionów ! Jet pT > 100 GeV 1.5 miliona Jet pT > 150 GeV 190,000 Jet pT > 200 GeV 44,000 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Detektor ATLAS Kwiecień 2007 Stan we wrześniu 2005 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Zalety detektora ATLAS do badania zderzeń A+A Kalorymetria Hermetyczne pokrycie do || < 4.9 Duża segmentacja (także podłużna) Procesy z dużymi pT Spektrometr mionowy o dużej akceptancji Pokrycie do || < 2.7 Miony z rozpadów , J/, Z0 Wewnętrzny detektor krzemowy Akceptancja do || < 2.5 Duża segmentacja komórkowych i paskowych detektorów Si Pomiary pędów cząstek o pT  1.0 GeV/c 2.+ 3. Produkcja ciężkich kwarków, tłumienie J/, 1.& 3. Ogólne charakterystyki przypadków 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Pojedynczy przypadek zderzenia Pb+Pb z b<1fm w detektorze ATLAS. ATLAS – Fizyka A+A Pojedynczy przypadek zderzenia Pb+Pb z b<1fm w detektorze ATLAS. Nch(dy=0.5) Około 70,000 stabilnych cząstek, ~ 40,000 cząstek w ||  3 CPU – 6 godz. na centralne zderzenie Pb+Pb (800MHz) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Globalne charakterystyki zderzeń Pb+Pb Pomiary: Nch, dNch/d, ET, dET/d, b Histogram – true Nch Points – reconstructed Nch Nch(|| < 3) 10% <3% Single Pb+Pb event, b =0-1fm dNch/d|=0 3200 (HIJING, no quenching) dNch/d|=0 6000 (HIJING, with quenching) Reconstruction errors ~5% 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

Badanie zderzeń ciężkich jonów przy pomocy detektora ATLAS@LHC 2008  interesujące perspektywy dla młodych fizyków 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek