Duże pędy poprzeczne w zderzeniach relatywistycznych jonów. Bożena Boimska IP J Konferencja QM05 – część II Seminarium Fizyki Wysokich Energii, UW 9 XII 2005

2Plan WstępWstęp Modyfikacje widm p T w zderzeniach A+AModyfikacje widm p T w zderzeniach A+A Czy obserwujemy gaszenie jetów?Czy obserwujemy gaszenie jetów? -> oddziaływania p(d)+A -> oddziaływania p(d)+A -> korelacje azymutalne -> korelacje azymutalne PodsumowaniePodsumowanie Przyszłość HIPrzyszłość HI

3 Wyniki z konferencji Quark Matter – Budapeszt, sierpień Budapeszt, sierpień W cześci I było: * charakterystyki globalne (krotności, rozkłady pospieszności) * flow * trochę o hard probes (cząstki z kwarkami ciężkimi, cząstki z dużym p T ). W zderzeniach ciężkich jąder przy wysokich energiach tworzona gęsta, gorąca materia partonowa.

4 Duże p T Cząstki z dużym p T : Cząstki z dużym p T : * pochodzą z jetów * są produkowane w oddziaływaniach twardych w początkowej fazie twardych w początkowej fazie zderzenia ( ~1/p T ~0.1 fm/c) zderzenia ( ~1/p T ~0.1 fm/c) * można policzyć przekrój czynny na ich produkcję metodami pQCD. ich produkcję metodami pQCD. q q hadrons leading particle leading particle Schematic view of jet production W zderzeniach A+A: W zderzeniach A+A: parton, który oddziaływał twardo, porusza się w ośrodku, który jest (jeszcze) gęsty i gorący => cząstki z dużym p T (powstałe z fragmentacji tego partonu) niosą informację o materii powstałej zaraz po zderzeniu.

5Dane: Głównie z eksperymentów (BRAHMS, PHOBOS, PHENIX, STAR) przy akceleratorze RHIC w Brookhaven. Stare dane: Au+Au ( = 200, 130, 19GeV) Au+Au ( s NN = 200, 130, 19GeV) d+Au (200GeV) d+Au (200GeV) p+p (200GeV) p+p (200GeV) Nowe dane: Run4 Au+Au 200GeV long run, high statistics Au+Au 62GeV energy scan Au+Au 62GeV energy scan Run5 Cu+Cu 200GeV system size Cu+Cu 62GeV energy scan Cu+Cu 62GeV energy scan Cu+Cu 22GeV Cu+Cu 22GeV + nowoopracowane dane z NA49 i NA57 (SPS w CERN) dla = 17GeV. s NN = 17GeV.

6 Wyznaczanie centralności b 2R ~ 15fm Spectators Participant Region Mniejszy parametr zderzenia b Więcej nukleonów uczestników N part i zderzeń N coll Większy obszar zderzenia

7 Wyznaczanie centralności Niestety nie da się zmierzyć parametru zderzeniaNiestety nie da się zmierzyć parametru zderzenia b Eksperymenty przy RHICu, centralność parametryzują przez liczbę zderzeń N coll i liczbę uczestników N partEksperymenty przy RHICu, centralność parametryzują przez liczbę zderzeń N coll i liczbę uczestników N part Mierzy się rozkłady krotności cząstek naładowanych, i rozdziela na przedziały danego ułamka całkowitego przekroju nieelastycznego -Mierzy się rozkłady krotności cząstek naładowanych, i rozdziela na przedziały danego ułamka całkowitego przekroju nieelastycznego - Z modelu Glaubera wylicza się N coll i N part odpowiadające danemu przedziałowiZ modelu Glaubera wylicza się N coll i N part odpowiadające danemu przedziałowi (0-5)% (85-100)%

8 Nuclear modification factor - R Scaled N+N reference R AA = Yield(AA) N COLL (AA) Yield(NN) Yield(centr.)/N COLL (centr.) R CP = Yield(periph.)/N COLL (periph.) również używane: * małe p T - miękkie oddziaływania: skalowanie z liczbą partycypantów N part => R<1 * duże p T - twarde oddziaływania : skalowanie z liczbą zderzeń N coll => R=1 R>1 - wzmocnienie R<1 - tłumienie Coś ciekawego dzieje się gdy:

9 Widma p T 0 Duży zakres mierzonych p T – aż do 20GeV/c B.Cole

10 R - zależność od centralności dla centralnych: efekt bardzo silny dla centralnych: efekt bardzo silny (R AA =0.2!) dla p T od 4 do 20GeV/c ~ const. dla p T od 4 do 20GeV/c ~ const. =>bardzo gęsty ośrodek(?) =>bardzo gęsty ośrodek(?) B.Cole Tłumienie Tłumienie - rośnie z centralnością pTpT

11 R - zależność od energii & P.Staszel Brahms preliminary 200 GeV 62.4 GeV centralność 200 GeV pp reference from BRAHMS data – PRL 93, (2004) 62.4 GeV pp reference is based on ISR collider data 62.4 GeV pp reference is based on ISR collider data Po obniżeniu energii do 62GeV: dla pół-centralnych – wzmocnienie dla pół-centralnych – wzmocnienie dla centralnych - tłumienie (ale mniejsze niż dla 200GeV) dla centralnych - tłumienie (ale mniejsze niż dla 200GeV) h±h±

12 Au+Au vs. Cu+Cu Pomiar dla dużych p T Zależność od centralności: R AA (p T > 7 GeV/c) Cu+Cu podobne do Au+Au przy danym N part dla centr. - tłumienie V.Greene

13 R - zależność od rodzaju cząstki D.Roehrich Dla średnio-dużych p T widoczne różnice pomiędzy cząstkami. Efekt masowy czy partonowy? => zbadać np. Efekt masowy czy partonowy? => zbadać np. R CP Różnica mezon-barion => różny mechanizm produkcji (rekombinacja(?))

14 R - zależność od rodzaju cząstki Fotony bezpośrednie (prompt photons) B.Cole Duże p T : 0, R AA < 1 0, R AA < 1 prompt R AA = 1 (skalowanie z N coll ) - zgodne z oczekiwaniami bo nie oddziałują silnie z ośrodkiem bo nie oddziałują silnie z ośrodkiem centralne

15 Zależność od energii raz jeszcze... Nowe dane dla SPS: Nowe dane NA49 i NA57: - podobnie jak przy RHICu R(barion) > R(mezon) - podobnie jak przy RHICu dla barionów – wzmocnienie dla barionów – wzmocnienie dla mezonów – niewielkie tłumienie! (RHIC – silne tłumienie) dla mezonów – niewielkie tłumienie! (RHIC – silne tłumienie) Stare dane dla SPS - WA98, Eur.Phys. J. C23, 225 (2002) – niekonkluzywne NA49 talk by A. Lazslo NA57 talk by A. Dainese; nucl-ex/ NA49NA57 M.van Leeuwen

16 Co na to teoria ? Efekt tłumienia produkcji cząstek z dużymi p T przewidziany zanim uruchomiony RHIC: M.Gyulassy et al. Phys.Lett.B243(1990)432, X.N.Wang et al. Phys.Rev.D51(1995)3436 Gluon bremsstrahlung High gluon density requires deconfined matter (indirect QGP signature !) jet quenching jet quenching radiacyjne straty energii przez wysokoenergetyczne partony poruszające się w gęstym ośrodku partonowym

17 Eksperyment vs. Teoria NA57 talk by A. Dainese; nucl-ex/ E loss (Wang) NA49 talk by A. Lazslo M.van Leeuwen SPS Modele pQCD+energy loss : - dobrze opisują dane eksperymentalne dla dużych p T I.Tserruya RHIC - pozwalają uzyskać informację o wytworzonej materii np. o gęstości gluonów: - pozwalają uzyskać informację o wytworzonej materii np. o gęstości gluonów: dN g /dy~ dla SPS dN g /dy~1200 dla RHIC

18 Podsumowując... Duże p T Centralne - R<1 tłumienieCentralne - R<1 tłumienie Efekt słabszy (mniejsze tłumienie) gdy :Efekt słabszy (mniejsze tłumienie) gdy : - mniej centralne zderzenie - mniej centralne zderzenie - lżejsze jądra - lżejsze jądra - niższa energia (początki tłumienia widoczne przy SPS) - niższa energia (początki tłumienia widoczne przy SPS) Średnio-duże p T Widoczna zależność od typu cząstki (mezon-barion)Widoczna zależność od typu cząstki (mezon-barion) Efekt tłumienia tłumaczony przez modele teoretyczne poprzez tzw. jet quenching. Efekt tłumienia tłumaczony przez modele teoretyczne poprzez tzw. jet quenching. Jak sprawdzić czy obserwowany efekt może być rzeczywiście wynikiem gaszenia jetów? Jak sprawdzić czy obserwowany efekt może być rzeczywiście wynikiem gaszenia jetów? Badanie prostszych systemów: p(d)+A (nie spodziewamy się tworzenia gęstej, gorącej materii). Badanie prostszych systemów: p(d)+A (nie spodziewamy się tworzenia gęstej, gorącej materii). Badanie jetów Badanie jetów

19 Porównanie d+Au & Au+Au STAR Pokazywane już na QM03 w Oakland * centralne d+Au brak tłumienia, R>1 - wzmocnienie (rośnie z centralnością) * centralne Au+Au silne tłumienie C.Gagliardi Tłumienie produkcji cząstek z dużym p T w Au+Au wynik wytworzonej w zderzeniu gęstej materii partonowej => Mamy jet quenching

20 Badanie zderzeń R - zależność od rodzaju cząstki X. Cai Dla p T > ~1GeV/c : Dla p T > ~1GeV/c : * R>1 - wzmocnienie (efekt Cronina) ) * R(barion) >R (mezon) - podobnie jak dla Au+Au Czy tu też rekombinacja? Czy tu też rekombinacja?

21 R - zależność od rodzaju cząstki Oddziaływanie z materią: kwarki ciężkie vs. lekkie STAR C.Gagliardi d+Au Au+Au Heavy quarks Light quarks d+Au: R~1 - skalowanie z N coll Au+Au: R ~0.2 - tłumienie; podobne jak dla kwarków lekkich non-photonic electrons Heavy quarks: h±h±

22 R - zależność od pospieszności Co dzieje się poza obszarem centralnym ? Brak wyraźnej zależności od pospieszności dla obu badanych centralności. P.Staszel Czy oznacza to, że gęsta materia partonowa powstająca w centralnych zderzeniach rozciąga się aż do y=3? rozciąga się aż do y=3?

23 R - zależność od pospieszności Cząstki zidentyfikowane brak zależności od pospieszności I.Tserruya centralne Piony: y=0, y=3.1 Protony: y=0, y=3

24 R - zależność od pospieszności Inaczej niż dla Au+Au: zależności od pospieszności (R maleje)zależności od pospieszności (R maleje) zależność od centralności (efekt silniejszy dla zderzeń centralnych)zależność od centralności (efekt silniejszy dla zderzeń centralnych) D.Roehrich BRAHMS: PRL 93, (2004) Efekty obserwowane w d+Au tłumaczone przez modele saturacyjne.

25 Saturacja gluonów I.Tserruya dla wysokich energii całkowite przekroje czynne rosną wolno z energią Dla małych x gluony gęsto upakowane, stąd oddziaływania między nimi (gluon- gluon fusion) i dlatego gęstości gluonów ograniczone (gluon saturation) -Color Glass Condensate (CGC) D.Kharzeev et al. PLB 561 (2003) 93 * CGC poprawnie opisuje dane z HERY dla x<10 -2 * Dla oddziaływań jądrowych efekt powinien być silniejszy (zależność od A), bo większe gęstości gluonów. Dla RHIC s=200GeV y=3 p T =1GeV/c: x~10 -3 => efekty saturacji gluonów mogłyby być widoczne przy maleniu x gęstość gluonów gwałtownie rośnie

26 Jednak już przy SPS... D.Roehrich centralne B.B. PhD gdy x F rośnie: R maleje Saturacja gluonów? Raczej NIE

27 Wracając do jetów... p + p jet + jet Au + Au stuff + jet + jet e + + e jet + jet STAR Dla zderzeń A+A: zbyt duże krotności by stosować algorytmy jetowe badanie jetów poprzez korelacje azymutalne

28 Korelacje azymutalne STAR:p+p jet event 0º0º180º dN/d Trigger jetu Szukanie jetów (procedura statystyczna): Szukamy cząstki z dużym p T (powyżej pewnego progu) – trigger jetu Patrzymy na korelacje azymutalne pomiędzy triggerem a innymi cząstkami, tzn. na rozkład 1/N trig dN/d( ) trzeba odfiltrować korelacje z innych źródeł (np. flow) near-sideaway-side

29 Korelacje azymutalne - Wyniki Dla Au+Au niedobór dużych p T dla rozkładów inkluzywnych (R<1) - rezultat oddziaływań jetów z materią (jet quenching) Efekt powinien być również widoczny dla korelacji azymutalnych Pedestal&flow subtracted J. Adams et al, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) < p T (trig) < 6 GeV/c 2 <p T (assoc)<p T (trig)GeV/c p+p i d+Au wyglądają podobnie dla centralnych Au+Au ginie jet away dla centralnych Au+Au ginie jet away

30 Korelacje azymutalne Pedestal&flow subtracted J. Adams et al, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) Jak można to wytłumaczyć: Leading hadrons Medium away near Ten widać bo powstaje blisko brzegu Ten jest tłumiony w gęstym ośrodku – jet quenching

31 Korelacje azymutalne - nowe wyniki większe p T (trig) Duża statystyka (Run4) to można badać korelacje dla cząstek z większym p T : Au+Au, 0-5% p T (trig) p T (assoc) > 2 GeV/c No background subtraction! J.Dunlop STAR Preliminary away-side peak niewidoczny away-side peak zaczyna być widoczny

32 Korelacje azymutalne - nowe wyniki większe p T (trig) i p T (assoc) J.Dunlop 8 < p T (trig) < 15 GeV/cp T (assoc)>6 GeV/c For the first time: clear jet-like peaks seen on near and away side in central Au+Au collisions STAR Preliminary => informacja o ośrodku (z modeli)

33 Korelacje azymutalne Zależność od centralności 8 < p T (trig) < 15 GeV/c C.Gadliardi Brak zależności od centralności Im centralniejsze tym większe tłumienie

34Podsumowanie * W centralnych zderzeniach A+A: - produkcja cząstek z dużym p T tłumiona w porównaniu do przewidywanego skalowania z N coll - produkcja cząstek z dużym p T tłumiona w porównaniu do przewidywanego skalowania z N coll - 0bserwuje się znikanie jetu-away. - 0bserwuje się znikanie jetu-away. * Dla zderzeń d+Au efekt nie występuje. * Dane zgodne z modelami pQCD uwzględniającymi radiacyjne straty energii partonów poruszających się w gęstym ośrodku partonowym. * Efekt jest silniejszy dla większych energii i bardziej centralnych zderzeń (lub cięższych jąder). * W obszarze średnio-dużych p T widoczna zależność od typu cząstki (efekt barion-mezon) -> w modelach należałoby chyba uwzględnić dodatkowo efekty nie-perturbacyjne (takie jak np.rekombinacja)

35 Przyszłość - RHIC Key measurements for the future: Hard probes (high p T, heavy quarks): sensitive to how the medium is created –jets –hidden charm & beauty –open charm & beauty Electromagnetic probes (real & virtual s): information about the mediums early properties –Low-mass e + e pairs –Thermal radiation Planowane: zwiększenie świetlności (początkowo X 2-3, docelowo X 10) zwiększenie zakresu A dla wiązek (aż do uranu) rozbudowa detektorów (precyzyjne detektory wierzchołka, identyfikacja dla cząstek przy wyższych p T, poszerzenie obszaru detekcji w kierunku do przodu,...) 2012 – 2014 (?) - rozpoczęcie budowy eRHIC S.Aronson Na razie to tylko plany.

36 Przyszłość - LHC Akcelerator LHC (Large Hadron Collider) w CERNie i jego 4. eksperymenty: Akcelerator LHC (Large Hadron Collider) w CERNie i jego 4. eksperymenty: ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) CMS (Compact Muon Solenoid) CMS (Compact Muon Solenoid) LHC –B LHC –B są w trakcie budowy. są w trakcie budowy. Uruchomienie planowane na rok Uruchomienie planowane na rok Badane zderzenia: Badane zderzenia: p+p przy =14 TeV p+p przy s NN =14 TeV Pb+Pb przy = 5.5TeV Pb+Pb przy s NN = 5.5TeV W późniejszych latach prawdopodobnie będą również badane: W późniejszych latach prawdopodobnie będą również badane: * zderzenia p+A * zderzenia p+A * zderzenia lżejszych jąder * zderzenia lżejszych jąder (Sn, Kr, Ar, O) * niższe energie. * niższe energie.

37 ALICE - eksperyment dedykowany badaniom HI ATLAS i CMS (badanie p+p) - mają też program HI 2007: p+p 14 TeV 2008: Pb+Pb 5.5 TeV

38LHC Running parameters: W porównaniu do RHICa, wytworzony w zderzeniu system: gorętszy większy gęściejszy o dłuższym czasie życia. (prawie 30 razy większa energia i cięższe jądra) H.A. Gustafsson Collision system s NN (TeV) L (cm -2 s -1 ) Run time (s/year) geom (b) pp PbPb

39 Obszar kinematyczny H.A. Gustafsson RHIC Przy LHC dostępny obszar bardzo małych x (saturacja gluonów – CGC): RHIC LHC x~ x~ y=3 y=0y=5

40 Procesy twarde H.A. Gustafsson * procesy twarde dominują * dużo cząstek z bardzo dużymi p T * dużo ciężkich kwarków

41 Program fizyczny * Charakterystyki globalne (day-one measurments): N ch, dN/d, dE T /d, flow * Jety i ich tłumienie * Ciężkie kwarki * Quarkonia (J/, ) * Fotony bezpośrednie (direct) (Gyulassy&Vitev) Przewidywania teoretyczne

42 Porównanie eksperymentów - pokrycie w p T p t (GeV/c) Bulk properties Hard processes modified by the medium ALICE PID CMS & ATLAS H.A. Gustafsson ALICE (małe p T, PID) CMS & ATLAS (bardzo duże p T )

43 Backup slides

44 Azimuthal correlations How does the medium respond? Azimuthal correlations How does the medium respond? C.Gadliardi 4.0 < p T (trig) < 6.0 GeV/c 2.0<p T (assoc)<p T (trig) GeV/c 0.15<p T (assoc)<4.0 GeV/c High momentum correlation suppressed Low momentum correlation enhanced Recoil distribution soft and broad.

45 R CP i R AA - różnice D.Roehrich STAR Preliminary 0-5% Au+Au p+p Uwaga: R CP R AA Mezony: R CP < 1, R AA <1 Bariony: R CP 1