Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW 20 .05. 2011 Półrocze programu ciężkojonowego przy akceleratorze LHC - pierwsze wyniki Bożena Boimska (IPJ) Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW 20 .05. 2011

Plan: Motywacja badań HI przy LHC Zderzenia PbPb@2.76TeV/N w 2010r. Pierwsze wyniki Charakterystyki globalne i korelacje Krotność cząstek Pływ eliptyczny Korelacje dwu-cząstkowe Femtoskopia (A. Kisiel, 14.01.2011) „Twarde” sygnały Tłumienie dżetów Produkcja J/Ψ Produkcja Z0 Podsumowanie i plany

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

Po co badamy zderzenia HI@LHC ? Aby wytworzyć stan materii zw. Plazmą Kwarkowo-Gluonową (stan 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 materia hadronowa swobodne kwarki i gluony Tc Obliczenia teoretyczne przewidują przejście do QGP gdy: gęstość energii> ec~1GeV/fm3 lub temperatura> Tc~175MeV

Zderzenia Pb20882+-Pb20882+ w LHC Od 08.11 – 06.12.2010 (stabilna wiązka przez 223h) Parametry zderzenia Nominal-ne w 2010r. Energia sNN [TeV] 5.52 2.76 Świetlność L [cm-2s-1] ~1027 do 2.5*1025 Liczba paczek 592 2 - 137 Czas pomiędzy przecięciami paczek [ns] 99.8 Liczba jonów Pb / paczkę 7*107 do 1.15*108 ±10% Scałkowana świetlność L [mb-1] LHC CMS Wzrost energii ~14 x RHIC (Au197-Au197@200GeV) Najgorętsza i najgęstsza materia jądrowa wytworzona kiedykolwiek w laboratorium

Jedno z pierwszych zderzeń Pb-Pb@2.76TeV w CMS

Słowo o centralności zderzenia … obszar „uczestników” „obserwatorzy” b „obserwatorzy ” 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

Charakterystyki globalne i korelacje

Krotność cząstek naładowanych zderzenia centralne (0-5) % pomiar dla η=0 ALICE: PRL 105, 252301 (2010), arXiv:1011.3916 wyznaczenie gęstości energii: dNch/dh=1584 ± 4(stat.) ± 76(sys.) Przewidywania teoretyczne: saturation /shadowing pQCD+soft MC większość przewidywań poniżej krotności zmierzonej

dN/dh: zależność od energii ALICE: PRL 105, 252301 (2010), arXiv:1011.3916 znormalizowane przez <Npart>/2 wzrost z energią szybszy w AA niż w pp (dNch/dh)/(0.5<Npart>)= 8.3  0.4 (syst.) PbPb (sNN=2.76TeV): ~2 x krotność dla pp ~2 x krotność przy RHIC (AuAu, sNN=0.2TeV)

dN/dh: zależność od centralności ALICE: PRL 106, 032301 (2011), arXiv:1012.1657 CMS: HIN-10-001  zgodność pomiędzy eksperymentami znormalizowane przez <Npart>/2 LHC RHIC wzrost z centralnością zależność podobna jak przy RHIC krotność w centralnych ~2 x peryferyczne

dN/dh: centralność vs. modele teoretyczne ALICE: PRL 106, 032301 (2011), arXiv:1012.1657 Bardzo ważne wyniki dla testowania modeli teoretycznych pQCD+soft saturation „miękkie” procesy: krotność ~Npart  płaska zależność „twarde” procesy: krotność ~Ncoll (coraz ważniejże przy wzroście s i centralności ) Również testy modeli saturacyjnych

Efekty kolektywne: pływ eliptyczny W wyniku zderzenia: ∎ duża gęstość energii  szybka termalizacja ∎ duży gradient ciśnienia  system szybko ekspanduje Stosowany opis hydrodynamiczny: cząstki „płyną” ze wspólną prędkością Badanie efektów kolektywnych: widma cząstek, pływ eliptyczny … Asymetrie w kącie azymutalnym: Asymetria w przestrzeni położeń W przestrzeni pędów – też asymetria py px gradient ciśnienia Reaction Plane Płaszczyzna reakcji wyznaczona przez wektor parametru zderzenia b i kierunek zderzenia (z)

Wyznaczanie płaszczyzny reakcji W płaszczyźnie poprzecznej do kierunku wiązki: „Prawdziwa” płaszczyzna reakcji nieznana Używa się estymaty: płaszczyzna wyznaczona przez kierunek wiązki i kierunek maksymalnej gęstości cząstek (lub max. pT) w płaszczyźnie poprzecznej g płaszczyzna reakcji Φ - ΨR Pppppppppppppppppp Φ - kąt azymutalny danej cząstki ΨR - kąt azymutalny płaszczyzny reakcji Badanie anizotropii azymutalnych w produkcji cząstek Produkcja cząstek w zależności od kąta azymutalnego wyrażona przez rozwinięcie w szereg Fouriera: Nas interesuje przypadek n=2: v2 – pływ eliptyczny

Pływ eliptyczny – v2 Drugi współczynnik w rozwinięciu Fouriera: Gdy: - uśrednianie po cząstkach w przypadku i po przypadkach Gdy: v2 > 0 – większość cząstek produkowana w kierunku płaszczyzny reakcji (‘in-plane’) v2 < 0 – większość cząstek produkowana prostopadle do płaszczyzny reakcji (‘out-of-plane’)

Co wiadomo o v2: niższe energie Borghini & Wiedemann: J.Phys.G35, 023001 (2008) v2 rośnie dla 2<sNN < 200GeV wzrost v2 wolniejszy dla sNN ≳ 10GeV Materia wytworzona przy RHIC zachowuje się jak ciecz idealna (wyniki eksp.+modele) Czego spodziewano się dla LHC: „Prosta” ekstrapolacja trendu z SPS i RHIC daje v2LHC ≈0.075 Inne przewidywania: N. Armesto, et al., J.Phys.G35, 054001 (2008) E. Zabrodin, et al., J.Phys.G37, 094060 (2010) możliwy zarówno spadek jak i wzrost wartości v2

Pływ eliptyczny: zależność od pT ALICE: arXiv:1011.3914 |η|<0.8 v2 rośnie przy przejściu od zderzeń centralnych do peryferycznych (efekt większej anizotropii przestrzennej w stanie początkowym w zderzeniach peryferycznych ) wzrost v2 do pT ~3GeV/c, potem spadek LHC vs. RHIC: podobna zależność v2 (pT)

Pływ eliptyczny: zależność od pT i h zależność od h: ewolucja systemu w kierunku podłużnym CMS: HIN-10-002 12 klas centralności |h|< 2.4 v2 (h) dodatkowe ograniczenie na modele teoretyczne

Pływ eliptyczny: zależność od centralności v2 scałkowane po pT : ALICE: arXiv:1011.3914 CMS: HIN-10-002 gdy zderzenia mniej centralne (początkowo) wzrost v2 maksimum dla centralności 40-50% Zależność od centralności daje kolejne ograniczenie na modele teoretyczne

Pływ eliptyczny: zależność od energii scałkowane v2: ALICE: arXiv:1011.3914 CMS: HIN-10-002 centralność: 20-30% h=0 Przy LHC wzrost ~15-30% (zal. od centr.) względem RHIC  efekt większego <pT> przy wzroście energii Kolejny krok: dopasowanie modeli teoretycznych do danych  informacja o własnościach wytworzonego ośrodka Jedno z pierwszych dopasowań: H.Song, S.Bass, U.Heinz, arXiv: 1103.2380 ośrodek wytworzony przy LHC ma (być może) właściwości cieczy „mniej idealnej” niż przy RHIC

Korelacje dwu-cząstkowe w Dh i Df: metoda Signal distribution: Background distribution: Event 1 Event 2 same event pairs mixed event pairs Associated hadron yield per trigger: Dh = hassoc – htrig Df = fassoc – ftrig

Korelacje dwu-cząstkowe: RHIC 0-10% AuAu ridge dAu sNN=200GeV STAR „near-side” jet peak dAu: Brak efektu ‘ridge’ AuAu: Struktura w kształcie „grzbietu” (ridge) dla Df~0 i rozciągająca się do dużych Dh – ‘near side long range correlations’ znaczny zakres pospieszności  korelacje pojawiły się w oddziaływaniu prawie natychmiast Tłumaczenie ‘ridge’: oddziaływania dżet-ośrodek, pływ kolektywny … (do końca nie wiadomo jak wytłumaczyć)

Korelacje dwu-cząstkowe: Pb-Pb@LHC CMS: arXiv:1105.2438 Pb 0-5% central 4 < pTtrig < 6 GeV/c 2 < pTassoc < 4 GeV/c Symulacja pp ‘Ridge’ rozciąga się aż do |Dh| < 4 Symulacja oddziaływań pp: brak ‘ridge’

dla dużych pT ‘ridge’ zanika ‘Ridge’: ewolucja z pT CMS: arXiv:1105.2438 ridge region: 2<||<4 pT tu efekt ‘ridge’ najsilniejszy dla dużych pT ‘ridge’ zanika

Próba zrozumienia ‘ridge’ Nowe prace teoretyczne: wyjaśnienie ‘ridge’ poprzez pływ kolektywny po uwzględnieniu harmonicznych wyższego rzędu V3 V1 V2 V4 V5 2<||<4 CMS: arXiv:1105.2438 Analiza korelacji w Df Rozwinięcie w szereg Fouriera: Uwzględnienie wyższych składowych  pływ hydrodynamiczny wydaje się wystarczać by wytłumaczyć ‘ridge’ (inne efekty nie potrzebne)

„Niespodzianka” w zderzeniach pp@LHC Dla zderzeń pp@7 TeV (dla przypadków z dużą krotnością) również zaobserwowano efekt ‘ridge’: Czyżby w pp też powstawała gęsta gorąca materia – tyle że w małej objętości?

„Twarde” sygnały obszar perturbacyjnej QCD produkcja skaluje się liczbą oddziaływań nukleon-nukleon, Ncoll sygnały z początkowej fazy zderzenia, (t ~1/pT ~0.1 fm/c)

Cząstki z dużym pT Dżety, J/Ψ, Z0 SPS LHC RHIC SPS (h++h-)/2 p0 17 GeV 200 GeV 5.5 TeV = √s LO p+p y=0 Cząstki z dużym pT 2.76 TeV Dżety, J/Ψ, Z0 sjet>100GeV (LHC) > 105 • sjet>100GeV (RHIC) sJ/Ψ (LHC) ≈ 10 • sJ/Ψ (RHIC) sZ (LHC) > 103 • sZ (RHIC)

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

Pomiary RAA przed LHC: RHIC Au197-Au197@sNN=200GeV tłumienie produkcji cząstek o dużych pT efekt silniejszy dla bardziej centralnych zderzeń T Efekt nie występuje dla „zimnej” materii jądrowej: R>1 dla d+Au STAR h± tłumienie dużych pT to wpływ gorącej i gęstej materii jądrowej („jet quenching”) Zjawisko przewidział J.D.Bjorken (1982): straty radiacyjne gluonów przy przejściu przez ośrodek; w stanie końcowym mniej cząstek o dużych pT

Pomiary RAA przed LHC: RHIC i SPS AuAu@sNN=200GeV i PbPb@sNN=17GeV SPS: brak tłumienia RHIC: ● p i h± tłumione inaczej dla pT<8GeV/c ● dla pT>8GeV/c RAA ~0.2 Z modeli: charakterystyki ośrodka, np. dNg/dy – gęstość gluonów

RAA przy LHC: pierwsze wyniki ALICE: Phys.Lett.B 696, 30 (2011), arXiv:1012.1004 duże pT: poziom tłumienia podobny do RHIC pomiar ALICE tylko do pT ~20 GeV/c

RAA przy LHC: przewidywania modeli Znaczne różnice w przewidywaniach modeli dla dużych pT

RAA przy LHC: duże pT RAA maleje z centralnością Ewolucja z centralnością zderzenia: CMS: HIN-10-005 RAA maleje z centralnością Pomiar CMS aż do pT ~100 GeV/c

RAA przy LHC: eksperyment vs. teoria CMS: HIN-10-005 Pomiar RAA dla dużych pT pozwoli wykluczyć niektóre z modeli teoretycznych

Przypadki dwu-dżetowe Jedne z pierwszych przypadków (w CMS): Przypadek dla dżetów niezbalansowanych pędowo. Czy to przejaw ‘jet quenching’?

Korelacja w kącie azymutalnym Central Peripheral Pb CMS: arXiv:1102.1957 |h|<2 ‘leading’ ‘subleading’ Brak silnego kątowego odchylenia zrekonstruowanych dżetów Do dalszej analizy wzięte tylko dżety ‘back-to-back’, Df>2/3p (rad)

Asymetria pędowa dżetów Central Peripheral Pb 0.15 CMS: arXiv:1102.1957 Niezbalansowanie pędów dżetów rośnie z centralnością zderzenia PbPb

Dżety zbalansowane pędowo: zależność od centralności (Npart) CMS: arXiv:1102.1957 kl k RB(AJ) -ułamek przypadków ze zbalansowanymi dżetami, AJ<0.15 Ze wzrostem centralności coraz mniej dżetów zbalansowanych pędowo Pomiar wykonał również ATLAS (dla mniejszej statystyki), PRL 105, 252303 (2010) CMS: analiza rozdystrybuowania pT brakującego do zbalansowania dżetów cząstki z małym pT na zewnątrz stożka dżetu Weryfikacja modeli i lepsze zrozumienie mechanizmów tłumienia dżetów (gluon radiation, collisional energy loss …)

J/Ψ w zderzeniach HI Przewidywanie T.Matsui & H.Satz (Phys.Lett. B178 (1986) 416): Gdy QGP wytworzona  ekranowanie koloru („colour Debeye screening”)  siła wiązania kwarków c i c tworzących J/Ψ maleje  „topnienie” J/Ψ Obliczenia QCD na siatkach (A.Moscy, P.Petreczki, Phys.Rev.Lett.99 (2007) 211602): temperatura dysocjacji J/Ψ Tdis = 1.2.Tc - Obserwacja tłumienia J/Ψ  informacja o temperaturze wytworzonego ośrodka Tłumienie badane poprzez pomiar RAA

Pomiary J/Ψ przed LHC: SPS i RHIC Zaobserwowano tłumienie produkcji J/Ψ w funkcji centralności: takie samo przy SPS i RHIC (mimo dużej różnicy energii) w obszarze „do przodu” (y~1.7) tłumienie większe niż dla y=0 Kłopot z opisem wyników... Być może mamy konkurencyjne mechanizmy: tłumienie, rekombinacja…

Może przy LHC nie tłumienie, a wzmocnienie? Low energy High Start of collision Development of QGP Hadronization LHC RHIC Npart Charmonium supression RAA

Pomiar J/Ψ m+m- przy LHC ATLAS: Phys.Lett.B 697, 294 (2011) L=6.7mb-1 Brak danych odniesienia pp, to: Zależność od centralności jakościowo podobna do tej przy niższych energiach Przy LHC produkcja J/Ψ jest tłumiona

Z0m+m- w zderzeniach Pb-Pb@LHC Leptony z rozpadów Z0 nie oddziałują z wytworzonym ośrodkiem: ⇨ Z0 - sygnał odniesienie dla procesów modyfikowanych przez ośrodek (np. kwarkonia) ⇨ produkcja Z0 czuła na efekty „stanu początkowego” (np. modyfika-cje PDF w oddziaływaniach jądrowych)

Z0m+m- w zderzeniach Pb-Pb@LHC Z0 obserwowane po raz pierwszy w zderzeniach HI ATLAS: Phys.Lett.B 697, 294 (2011) N=39 CMS: arXiv:1102.5435 L=6.7 mb-1 N=38 Normalizacja: do zderzeń peryferycznych uwzględnia skalowanie z Ncoll Brak zależności od centralności : produkcja Z0 zgodna z przewidywaniami, skaluje się z Ncoll (duże błedy statystyczne)

Publikacje LHC dla PbPb@sNN=2.76TeV ALICE Krotność cząstek: Phys.Rev.Lett.105:252301,2010, arXiv:1011.3916 Phys.Rev.Lett.106:032301,2011, arXiv:1012.1657 Femtoskopia: Phys.Lett.B 696:328,2011, arXiv:1012.4035 Pływ eliptyczny: arXiv:1011.3914 Tłumienie dużych pT: Phys.Lett.B 696:30,2011, arXiv:1012.1004 ATLAS Produkcja J/Ψ i Z0: Phys.Lett.B 697:294,2011, arXiv:1012.5419 Asymetria pędowa dżetów: Phys.Rev.Lett.105:252303,2010, arXiv:1011.6182 CMS Produkcja Z0: arXiv:1102.5435 Asymetria pędowa dżetów: arXiv:1102.1957 Korelacje dwu-hadronowe: arXiv:1105.2438

Podsumowanie Pierwsze wyniki dla zderzeń Pb-Pb@2.76 TeV/N przy LHC Wyniki wskazują, że wytworzona materia: - jest bardzo gęsta (krotności), - o wysokiej temperaturze (tłumienie J/Ψ), - zachowuje się kolektywnie (pływ eliptyczny i ‘ridge’), - wpływa na charakterystyki cząstek w stanie końcowym (RAA, asymetria pędowa dżetów) Dodatkowo, materia ta powstaje w większej objętości i ‘żyje’ dłużej od tej wytworzonej w eksperymentach przy niższych energiach (z femtoskopii cząstek)

Więcej informacji … ALICE ATLAS CMS W dniach 23-28 maja w Annecy (Francja) odbędzie się największa/najważniejsza konferencja poświęcona fizyce zderzeń ciężkich jonów: Wiele nowych wyników Zaplanowano ~200 prezentacji (experiment, theory, experiments upgrades, future facilities, instrumentation…) Wystąpienie ALICE ATLAS CMS plenarne 7 3 6 równoległe 32 4 13

Co dalej … Eksperymenty kontynuują analizowanie zebranych danych: - PbPb (2010) - dane odniesienia pp (~0.3 pb-1) (2011) Plany zderzeń ciężkojonowych w LHC na najbliższe lata 2011 (listopad-grudzień): PbPb@2.76TeV dla wyższej świetlności (~30% nominalnej) 2012: prawdopodobnie zderzenia pPb - efekty zimnej materii jądrowej Więcej informacji: S. Maury, „Middle-Long Term Needs for Ion Beams”; Injectors and Experimental Facilities Committee 2011 Workshop, March 2011, CERN

Dziękuję za uwagę!

Parametry opisujące wytworzony ośrodek: (z modelu, po dopasowaniu do danych)

‘Femtoskopia’ albo korelacje HBT Kwantowa interferencja cząstek Korelacja w pędzie pary cząstek tłumaczona na przestrzenno-czasowy rozmiar obszaru emisji Dwu-cząstkowa funkcja korelacji: q -względny pęd pary, K -średni pęd pary Wyznacza się promienie: RLong , ROut, RSide Kierunki: Long (l) – oś wiązki Out (o) –równoległy do pędu poprzecznego pary KT Side (s) – prostopadły do powyższych

Pion HBT radii at kT=0.3 GeV/c Zależność od kT ALICE: Phys.Lett.B 696:328,2011 Pion HBT radii at kT=0.3 GeV/c Zależność od kT centralne Pb-Pb Wzrost promieni względem RHIC R maleją z kT (mamy ekspansję kolektywną) Wszystkie R większe niż przy RHIC Promienie rosną ~liniowo z (dNch/dh)1/3

Ewolucja przestrzenno-czasowa z korelacji HBT: ALICE: Phys.Lett.B 696:328,2011 Ewolucja przestrzenno-czasowa z korelacji HBT: RoutRsideRlong  volume V Decoupling time tf ~Rlong LHC: większa objętość wytworzonego ośrodka ~2xRHIC V ~dNch/dh V(central PbPb) at LHC ~300fm3 ośrodek „żyje” dłużej: ~1.4xRHIC tf ~(dNch/dh)1/3 tf(central PbPb) ~10-11 fm/c

Korelacje dwu-cząstkowe: minimum bias pp@7TeV

“ridge” w szerokim zakresie  przy  ~ 0 Korelacje dwu-cząstkowe: pp@7TeV, duże N pT: 1-3 GeV/c 350K events Minimum Bias pp (<N> ~ 15) High multiplicity pp (N110) JHEP 09 (2010) 091 “ridge” w szerokim zakresie  przy  ~ 0 (efekt nie obserwowany wcześniej w zderzeniach hadronów ani w modelach MC)

Obszar kinematyczny: SPS, RHIC i LHC 10-6 10-4 10-2 100 x 108 106 104 102 100 Q2 (GeV2) RHIC

Saturacja gluonów dla wysokich energii całkowite przekroje czynne rosną wolno z energią przy maleniu x gęstość gluonów gwałtownie rośnie Dla małych x gluony gęsto upakowane, stąd oddziaływania między nimi („gluon-gluon fusion”) i dlatego gęstości gluonów ograniczone („gluon saturation”). Dla oddziaływań jądrowych efekt silniejszy (zależność od A), bo większe gęstości gluonów.