Rozkłady pędów poprzecznych cząstek produkowanych w zderzeniach Au+Au przy energiach RHIC Adam Trzupek Zakład Oddziaływań Jądrowych Wysokich Energii Instytut Fizyki Jądrowej PAN Kraków

Plan referatu Podsumowanie Zderzenia relatywistycznych ciężkich jonów przewidywania chromodynamiki kwantowej akcelerator RHIC eksperyment PHOBOS Produkcja , K, p i p o małych pT rekonstrukcja i identyfikacja rozkłady pT w Au+Au i d+Au porównanie z przewidywaniami modeli Produkcja cząstek naładowanych o dużych pT tłumienie produkcji w zderzeniach Au+Au Podsumowanie

Celem fizyki relatywistycznych ciężkich jonów jest badanie materii o dużej gęstości energii t =- kilka fm/c t = 0 fm/c t = + kilka fm/c Jądro Au Jądro Au gęstość energii w obszarze oddziaływania : RHIC ~ 5 GeV/fm3 Skrócenie Lorentza (RHIC),  = 108 gęstość energii w materii jądrowej: Au ~ 0,15 GeV/fm3

Przewidywania Chromodynamiki Kwantowej (QCD) Przy bardzo dużej gęstości energii kwarki i gluony są uwolnione Przejście do plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP) Krytyczna gęstość energii i temperatura (QCD, B=0): c ~ 1 GeV/fm3 Tc ~ 192 MeV (~2  1012 K) RHIC >> c Korzystne warunki na utworzenie QGP w RHIC 1975 - 2001 (przed RHIC) Przewidywany słabo sprzężony stan plazmy kwarkowo- gluonowej (wQCD) Właściwości QGP podobne do właściwości idealnego gazu 2001 - 2007 (rezultaty z RHIC) Odkryto SILNIE sprzężony stan plazmy kwarkowo- gluonowej (sQCD) Właściwości QGP podobne do właściwości idealnej cieczy

Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) Obwód = 3800 m l. magnesów =1740 sNN (GeV) RHIC: 200 SPS: 17

Shaun Wyngaardt, Bolek Wysłouch Współpraca Burak Alver, Birger Back, Mark Baker, Maarten Ballintijn, Donald Barton, Russell Betts, Richard Bindel, Wit Busza (Spokesperson), Zhengwei Chai, Vasundhara Chetluru, Edmundo García, Tomasz Gburek, Kristjan Gulbrandsen, Clive Halliwell, Joshua Hamblen, Ian Harnarine, Conor Henderson, David Hofman, Richard Hollis, Roman Hołyński, Burt Holzman, Aneta Iordanova, Jay Kane,Piotr Kulinich, Chia Ming Kuo, Wei Li, Willis Lin, Constantin Loizides, Steven Manly, Alice Mignerey, Gerrit van Nieuwenhuizen, Rachid Nouicer, Andrzej Olszewski, Robert Pak, Corey Reed, Eric Richardson, Christof Roland, Gunther Roland, Joe Sagerer, Iouri Sedykh, Chadd Smith, Maciej Stankiewicz, Peter Steinberg, George Stephans, Andrei Sukhanov, Artur Szostak, Marguerite Belt Tonjes, Adam Trzupek, Sergei Vaurynovich, Robin Verdier, Gábor Veres, Peter Walters, Edward Wenger, Donald Willhelm, Frank Wolfs, Barbara Wosiek, Krzysztof Woźniak, Shaun Wyngaardt, Bolek Wysłouch ARGONNE NATIONAL LABORATORY BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY INSTITUTE OF NUCLEAR PHYSICS PAN, KRAKOW MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY NATIONAL CENTRAL UNIVERSITY, TAIWAN UNIVERSITY OF ILLINOIS AT CHICAGO UNIVERSITY OF MARYLAND UNIVERSITY OF ROCHESTER

PHOBOS 1m

PHOBOS - detektor wyzwalania Detektor wyzwalania Triger 1m Detektor wyzwalania Triger 3 <|h|<4,5  = -ln tan(/2)

Detektor wyzwalania - Pomiar centralności Au Au 3 <|h|<4.5 Wyznaczanie Npart i Ncoll: Au+Au, 200 GeV <Npart>0-6% , <Ncoll>0-6% , ... Model AA + Geant (detektor) Npart liczba nukleonów oddziaływujących nieelastcznie Ncoll liczba nieelastycznych oddziaływań NN w AA Peryferyczne Centralne przedziały centralności: 0-6% , 6-15% ,...

PHOBOS – detektor krotności Detektor krotności Oktagon Pierścienie - 5,4 < h < 5,4

PHOBOS – spektrometr i TOF Liczniki czasu przelotu Spektrometr Magnes

Spektrometr detektora PHOBOS B  -2T B  2T 70 cm 16 warstw krzemowych/ ramię , 2-39 płytek krzemowych / warstwę precyzyjny pomiar: X, dE (~300 m) układ płytek i pole B dostosowane do pomiaru cząstek o małych pT, różne rozmiary komórek krzemowych (5 typów) blisko punktu oddziaływania

Rozkłady pędów poprzecznych w zderzeniach AA Małe pT (< 0,2 GeV/c) Przewidywano wzmocnienie produkcji cząstek z powodu NOWYCH długo-zasięgowych zjawisk wQGP - duży obszar źródła cząstek Małe i średnie pT (< 2 GeV/c) Oczekiwano modyfikacji rozkładów pT zależnej od masy hadronów na skutek poprzecznej kolektywnej ekspansji odwrotność nachylenia rozkładu, rośnie z mh , dla pT << mh Duże wartości pT (2 - 5 GeV/c) Przewidywano tłumienie produkcji hadronów w centralnych AA duże strat energii partonów w gęstej materii

Pomiary pT cząstek w eksperymencie PHOBOS gęstość cząstek Au+Au, 200 GeV centrality: 0-15% mid-rapidity PHOBOS:  PRC 70 (2004) 051901  PLB 578 (2004) 297 małe pT średnie pT duże pT Hadrony są mierzone w zakresie pT: od 30 MeV/c – 5 GeV/c Eksperyment PHOBOS posiada unikalną możliwość pomiaru cząstek o bardzo małych pędach poprzecznych: 30 - 200 MeV/c PID: masa + ładunek 0.03 0.2 ~ 2.0 pT (GeV/c) masa ładunek (++ -) (K++ K-) (p + p) , K, p i p h+, h-

Pomiar pędu i identyfikacja cząstek o pT > 0,2 GeV/c Zakrzywienie trajektorii w polu magnetycznym pozwala wyznaczyć ładunek i pęd cząstki (0,2 – 5 GeV/c) Identyfikacja cząstek: p K p  K  dE/dx w Si: separacja /K: do 0,6 GeV/c p/p: do 1,5 GeV/c Czas przelotu: separacja /K: do 2,0 GeV/c p/p: do 3,5 GeV/c

Szukamy cząstek zatrzymujących się Procedura rekonstrukcji cząstek o pT < 0,2 GeV/c (zakres małych pT: 30 – 200 MeV/c) Szukamy cząstek zatrzymujących się w warstwie nr 5 X [cm] 1 2 3 4 5 6 Z[cm] rura berylowa 0 10 20 . Z [cm] Identyfikacja cząstek o małych pT < E dE/dx > dE ~ 10 MIP ~1 cząstka na 100 przyp. < E  dE/dx >  mh ( mh2 (1/2) funkcja Bethe-Bloch Etot =  dEi , i = 1, ... ,5 (++ -) (K++ K-) (p + p) pole mag. B  0 

Niezmienniczy rozkład pędów poprzecznych: 1/(2pT) d2N/dydpT Wyznaczono rozkłady pT dla następujący danych doświadczalnych (małe pT) : sNN (GeV) centralność liczba przypadków Au+Au 200 0 – 15% 2 M 62,4 0 – 50% 5 M d+Au „minimum bias” 10 M

Rozkłady pędów poprzecznych w centralnych zderzeniach Au+Au o energii sNN=200 GeV pT= 30 — 50 MeV/c piony 90 — 130 MeV/c kaony 140 — 210 MeV/c protony y  0 (mid-rapidity) PRC C70, 051902 (R) (2004) T

Produkcja cząstek o małych pT w centralnych zderzeniach Au+Au, sNN = 200 GeV  mT = pT2+mh2 brak wzmocnienia produkcji pionów o małych pT T= 229 MeV dla (++-) 293 MeV dla (K++K-) 392 MeV dla (p + p) PRC C70, 051902 (R) (2004) „wypłaszczenie” rozkładu pT dla (p+p) przy małych pT jest zgodne z poprzeczną, kolektywna ekspansja systemu

w oddziaływaniach Au+Au Parametry modelu „fali uderzeniowej” Rozkłady pT w oddziaływaniach Au+Au przy energii sNN = 62,4 GeV (2pT)1d2N/dydpT[c2/GeV2] Parametry modelu „fali uderzeniowej” (blast wave): 0-15%: Tfo = 103 MeV, T = 0,78 c 15-30%: Tfo = 102 MeV, T = 0,76 c 30-50%: Tfo = 101 MeV, T = 0,72 c Centralne (2pT)1d2N/dydpT[c2/GeV2] (2pT)1d2N/dydpT[c2/GeV2] Semi-centralne Semi-peryferyczne Nucl. Phys. A774 (2006) 469

Rozkłady mT w oddziaływaniach Au+Au sNN= 200 GeV mT = pT2+mh2 (2pT)1d2N/dydpT[c2/GeV2] Kształt widm mT podobny dla mT > 1,8 GeV/c2 „Wypłaszczanie” rozkładu mT (p+p), największe przy małych pT Tloc[GeV/c2] PRC C70, 051902 (R) (2004)

Eksperyment kontrolny d+Au Au+Au: brak gęstej materii gęsta materii Doświadczenia z deuterem pozwalają badać wpływ gęstej materii na mierzone wielkości fizyczne

Rozkłady mT w oddziaływaniach d+Au sNN= 200 GeV Po przeskalowaniu rozkładu mT kaonów o czynnik 2, widma mT dla (++-), (K++ K-), (p + p) są podobne Brak efektu „wypłaszczania” widm mT w d+Au Efekt „wypłaszcznia” widm mT w Au+Au może powstawać na skutek oddziaływań w gęstej materii Tloc[GeV/c2] Nucl. Phys. A774 (2006) 469

Przewidywania modeli Hydrodynamiczne symulacje W. Florkowski, W. Broniowski, PRL 87 (2001) 272302 D. Prorok; PRC 67 (2006) 064901 P. Kolb, R. Rapp; PRC 67 (2003) 044903 Hydrodynamiczne symulacje z porzeczną ekspansją dobrze opisują dane doświadczalne w przedziale pT: 0,03 – 1,5 GeV/c „Cracow Single Freeze-Out Model” Modele hydrodynamiczne z idealną cieczą dobrze opisują produkcję cząstek przy małych i średnich pT

Produkcja hadronów o dużych pędach poprzecznych Twarde oddziaływania partonów występują we wczesnej fazie zderzenia AA t =- kilka fm/c t = 0 fm/c t = + kilka fm/c t = + kilka fm/c Jądro Au Jądro Au parton parton Partony znajdują się w jądrach Twarde oddziaływanie partonów Rozproszone partony przechodzą przez gęstą materię hadronizacja „jet” hadronów Jeżeli rozproszone partony tracą znaczną część energii, to liczba „wiodących” hadronów o dużych pT będzie malała (efekt tłumienia produkcji) “wiodący” hadron o dużym pT Detektor

Rozkłady pędów poprzecznych naładowanych hadronów ( h+ + h- ) (PHOBOS) 0.2<yp <1.4 PLB 578 (2004) 297 Większość cząstek w zderzeniu AA jest produkowana z małymi i średnimi pędami poprzecznymi ~0,1% cząstek o pT> 2 GeV/c

Czynnik modyfikacji jądrowej RAA Ncoll - liczba nieelastycznych zderzeń NN w AA brak efektów jądrowych obecność efektów jądrowych RAA > 1 RAA = 1 RAA < 1 skalowanie z Ncoll wzmocnienie produkcji efekt Cronina p+A, FNAL tłumienie produkcji oddziaływania z gęstą materią Au+Au, RHIC

Tłumienie produkcji w zderzeniach Au+Au (PHOBOS) (h++h-), sNN = 200 GeV RAuAu 45-50% 35-45% 1 d2 NAuAu / dpTd <Ncoll> d2 NNN / dpTd RAuAu = skalowanie z Ncoll semi-perferyczne 25-35% 15-25% RAuAu maleje przy wzroście centralności Najsilniejsze tłumienie obserwuje się w najbardziej centralnych zderzeniach duże pT, RAuAu  0,3 <<1 6-15% 0-6% centralne pT (GeV/c) PLB 578 (2004) 297

Zależność RAA od energii Centralne zderzenia Pb+Pb i Au+Au, mid-rapidity RAA 2 1 PRL 94 (2005) 082304 WA98 10 100 sNN (GeV) “gładka” zależność RAA od energii dla dużych pT: RAA > 1 dla sNN = 17,3 GeV RAA < 0,2 dla sNN = 200 GeV

Eksperyment kontrolny d+Au (PHOBOS) (h++h-), d+Au, sNN = 200 GeV, 0,2 < y < 1,4 Brak tłumienia produkcji hadronów naładowanych o dużych pT w zderzeniach d+Au w całym zakresie centralności RdAu~1 dla pT > 2 GeV/c RdAu słaby wzrost RdAu z Ncoll Au+Au PRL 91 (2003) 072302 Tłumienie produkcji hadronów w centralnych zderzeniach Au + Au przy energii 200 GeV jest wynikiem oddziaływań partonów w gęstej materii.

Mechanizm tłumienia produkcji hadronów o dużych pT w centralnych zderzeniach Au+Au, sNN = 200 GeV Duże straty energii, dE/dx, partonów poruszających się w gęstej materii (bremsstrahlung gluonów) Modele uwzględniające straty energii partonów dobrze opisują produkcję hadronów o dużych pT w centralnych zderzeniach Au+Au Model z dE/dx: GLV (M.Gyulassy, P.Levai, I.Vitev)

Podsumowanie Małe i średnie pT: Duże pT: Detektor PHOBOS pozwala na badanie produkcji hadronów w szerokim zakresie pT : 30 MeV/c – 5 GeV/c Małe i średnie pT: W centralnych zderzeniach Au+Au obserwujemy brak wzmocnienia produkcji cząstek (pionów) przy bardzo małych pT  silnie sprzężony stan materii „Wypłaszczanie” rozkładu mT (p+p) jest zgodne z efektem kolektywnej poprzecznej ekspansji Modele hydrodynamiczne z (idealną cieczą ) dobrze opisują rozkłady pT Duże pT: W centralnych zderzeniach Au+Au obserwujemy silne tłumienie produkcji hadronów naładowanych Brak tłumienia produkcji hadronów o dużych pT w d+Au Przyczyną tłumienia produkcji hadronów są oddziaływania partonów z gęstą materią

Wnioski Rozkłady pędów poprzecznych dla Au+Au i d+Au przy małych, średnich i dużych-pT + ... w centralnych zderzeniach Au+Au przy najwyższej energii w akceleratorze RHIC produkowana jest materia o bardzo dużej gęstości energii, silnie sprzężona o właściwościach podobnych do właściwości idealnej cieczy Silnie sprzężony stan plazmy kwarkowo-gluonowej (sQGP)

Eksperymentalne dane uzyskane na RHIC sNN(GeV) sNN(GeV)

Centralność zderzeń w AA: b zranione/oddziaływujące nukleony ( Npart ) nieoddziaływujące nukleony/spektatory ( Nspect ) Ncoll liczba nieelastycznych oddziaływań NN (l. binarnych zderzeń NN)

RAA przy niższych energiach (eksperymenty na stałej tarczy) Elab = 200 AGeV, sNN = 19.4GeV RAA przy niższych energiach (eksperymenty na stałej tarczy) RSAu Pb+Pb: Elab =158 AGeV, sNN = 17.3 GeV RPbPb skalowanie Ncoll RSS skalowanie Ncoll RpA wielokrotne rozproszenia powodują poszerzenie widma pT => RAA >1 efekt Cronina pQCD + efekty jądrowe B.Z.Kopeliovich, et al., PRL 88 (2002) 232303

Theory Calculations Energy loss applied: M. Gyulassy, I. Vitev, X.N Wang and B.W. Zhang; nucl-th/0302007 dE/dxo is the only free parameter. It is determined by fitting to STAR central RAA(pt) Cronin Effect: X.N. Wang, Phys. Rev C61, 064910 (2000). Attributed to initial state multiple scattering. Implemented by Q2(pt) dependent Gaussian kt broadening