Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW 18 .05. 2012 Dżety w zderzeniach ołów-ołów przy energii LHC: czy obserwujemy ich modyfikacje? Bożena Boimska Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW 18 .05. 2012

Plan Wstęp Wyniki Podsumowanie Plazma kwarkowo-gluonowa Motywacja badań dżetów w zderzeniach jonów przy LHC Zderzenia PbPb w 2010 i 2011 roku Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach ciężkich jonów przy LHC Wyniki Pomiar czynnika modyfikacji jądrowej - RAA Analiza przypadków dwu-dżetowych Analiza przypadków dżet-foton Podsumowanie

Plazma kwarkowo-gluonowa Quark-Gluon Plasma (QGP): stan materii 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 (pierwsze ms) Eksperymentalnie QGP badana w zderzeniach ciężkich jonów przy bardzo wysokich energiach Obliczenia teoretyczne (QCD) przewidują przejście do QGP gdy: gęstość energii> ec~1 GeV/fm3 lub temperatura> Tc~175 MeV

„Mały Wybuch” w laboratorium Final state particles Hard probes

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

Zderzenia Pb20882+-Pb20882+ przy LHC W 2010 i 2011 roku po ok. 1 miesiącu zbierania danych Parametr zderzenia Nominalnie w 2010r. w 2011r. Energia sNN [TeV] 5.52 2.76 Świetlność L [cm-2s-1] ~1027 do 2.5*1025 do ~4.5*1026 Scałkowana świetlność dostarczona przez akcelerator LHC w 2011: L2011~16xL2010

Scałkowana świetlność dla PbPb M. Ferro-Luzzi 2012 Chamonix workshop

„Mały Wybuch” w laboratorium Centralne zderzenie PbPb przy sNN=2.76 TeV

Plany na 2012r. (listopad) Badanie efektów zimnej materii jądrowej: pPb przy sNN=5 TeV Oczekiwana świetlność: początkowa ~3*1028 cm-2s-1 scałkowana ~30 nb-1 (Ewentualnie) badanie zderzeń pp sNN=2.76 TeV (odniesienie dla PbPb) sNN=5 TeV (odniesienie dla pPb) Oczekiwana scałkowana świetlność 6pb-1 dla każdej z energii

Pierwsze wyniki (seminaria FWE) Femtoskopia (korelacje HBT) Adam Kisiel (PW), 14.01.2011: Charakterystyki globalne i korelacje Krotność cząstek Pływ eliptyczny Korelacje dwu-cząstkowe „Twarde” sygnały Produkcja J/Ψ Produkcja Z0 Tłumienie dżetów BB, 20.05.2011:

Publikacje LHC dla PbPb@sNN=2.76TeV ALICE Krotność cząstek PRL 105, 252301(2010), PRL 106, 032301(2011) Femtoskopia PLB 696, 328(2011) Pływ PRL 105, 252302(2010), PRL 107, 032301(2011) Tłumienie dużych pT cząstki naładowane: PLB 696, 30(2011) mezony D: arXiv:1203.2160 Korelacje azymutalne arXiv:1109.2501 Produkcja J/Ψ arXiv:1202.1383 Fluktuacje tła dla dżetów JHEP 1203, 053(2012) ATLAS Asymetria pędowa dżetów PRL 105, 252303(2010) Produkcja J/Ψ i Z0 PLB 697, 294(2011) Krotność cząstek PLB 710, 363(2012) Pływ PLB 707, 330(2012), arXiv:1203.3087

Publikacje LHC dla PbPb@sNN=2.76TeV CMS Produkcja Z0 PRL 106, 212301(2011) Asymetria pędowa dżetów PRC 84, 024906(2011), arXiv:1202.5022 Korelacje dwu-hadronowe JHEP 1107, 076(2011), arXiv:1201.3158 Krotność JHEP 1108, 141(2011) Produkcja Y i J/ψ PRL 107, 052302(2011), arXiv:1201.5069 Pływ arXiv:1204.1409, arXiv:1204.1850 Tłumienie dużych pT EPJC 72, 1945(2012) Fotony PLB 710, 256(2012) Korelacje foton-dżet arXiv:1205.0206 Gęstość energii ET arXiv:1205.2488

Centralność zderzenia „obserwatorzy ” obszar „uczestników” „obserwatorzy” b 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

Tłumienie dżetów (”jet quenching”) Jedna z sygnatur wytworzenia QGP - J.D.Bjorken (1982) Zaobserwowane po raz pierwszy przy akceleratorze RHIC (USA) dla zderzeń Au197-Au197@ sNN=200GeV Dla RHIC rekonstrukcja dżetów bardzo trudna  badano cząstki z dużym pT Pomiar tzw. czynnika modyfikacji jądrowej i korelacji w kącie azymutalnym Wynik strat radiacyjnych partonów, biorących udział w twardym oddziaływaniu w początkowej fazie zderzenia, przy przejściu przez gęsty ośrodek partonowy

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

Czynnik modyfikacji jądrowej przy RHIC STAR h± RdAu>1 wzmocnienie RAuAu<1 tłumienie ”Jet quenching” obserwowany w centralnych zderzeniach AuAu jako tłumienie produkcji cząstek z dużym pT (wytworzona gęsta materia partonowa)

Korelacje azymutalne przy RHIC Δf Trigger Associated away-side near-side p+p jet event Pedestal&flow subtracted near-side away-side 4< pT(trig) < 6 GeV/c 2 <pT(assoc)<pT(trig)GeV/c Zderzenia pp i dAu podobne Dla centralnych AuAu ginie dżet ”away”

Korelacje azymutalne przy RHIC Pedestal&flow subtracted near-side away-side Widoczny bo powstaje blisko „brzegu” Leading hadrons Medium away near Ginie bo jest tłumiony w gęstym ośrodku – ”jet quenching”

Czynnik modyfikacji jądrowej przy LHC Dla cząstek naładowanych Pierwszy pomiar RAA: ALICE, PLB 696, 30(2011)  mała statystyka Pb CMS, EPJC 72, 1945(2012) (dane 2010 i 2011) Pomiar aż do pT ~100 GeV/c Z centralnością zderzenia RAA maleje

RAA przy SPS, RHIC i LHC Dla energii LHC: EPJC 72, 1945(2012) central collisions Dla energii LHC: produkcja hadronów tłumiona ~6x przy pT~7GeV/c dla wyższych pT powolny wzrost i plateau RAA~0.5 w zakresie pT~40-100GeV/c Ograniczenie na modele opisujące straty energii partonów Możliwość wyznaczenia własności wytworzonego ośrodka partonowego (np.: dNg/dy)

Dżety przy LHC Energia LHC ~14 x RHIC Dla LHC duży przekrój czynny na produkcję dżetów: sjet>100GeV (LHC) > 105 • sjet>100GeV (RHIC) 2.76 TeV b Możliwa rekonstrukcja dżetów  Mierzymy dżety (a nie tylko cząstki z dużymi pędami poprzecznymi)

Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach PbPb Trudna bo duże tło od tzw. “soft underlying event” dNcharged/dη ~1600 (dla 5% najbardziej centralnych zderzeń) Trzeba stosować specjalne procedury odejmowania tła (przypadek po przypadku)

Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach PbPb Tradycyjna metoda: rekonstrukcja oparta na informacji z kalorymetrów, w których nastąpił depozyt energii cząstek należących do dżetu Szukany stożek o promieniu Cząstki naładowane o małym pT poza stożkiem Metoda „Particle Flow”: HCAL Clusters ECAL Tracks Clusters and Tracks Particles particle-flow Do zrekonstruowania dżetu używana informacja z kalorymetrów i układu śladowego

Przypadki dwu-dżetowe w zderzeniach PbPb Jedne z pierwszych zderzeń: Zaobserwowano przypadki dwu-dżetowe Dla centralnych zderzeń widoczne przypadki dwu-dżetowe niezbalansowane energetycznie  przejaw zjawiska „tłumienia dżetów”? h f h f

Korelacja w kącie azymutalnym Central Peripheral Pb pp CMS, PRC 84, 024906(2011) ‘leading’ ‘subleading’ Dane PbPb - Dane odniesienia Dla wszystkich centralności dżety są zasadniczo ‘back-to-back’ (Df~p)  Przejście partonów o dużym pT przez ośrodek nie powoduje silnej dekorelacji kątowej Dalsza analiza dla dżetów ‘back-to-back’, Df>2/3p (rad)

Asymetria Niezbalansowanie pędowe dżetów wyznaczane przy pomocy stosunku: Cięcia na pT dżetów wprowadzają ograniczenia na wartości AJ np.: pT,1=120 GeV/c & pT,2>50 GeV/c  AJ<0.41

Niezbalansowanie pędowe Central Peripheral Pb pp CMS, PRC 84, 024906(2011) Dane PbPb - Dane odniesienia Dane odniesienia nie odtwarzają wyników dla PbPb Niezbalansowanie dżetów rośnie z centralnością zderzenia

Pierwszy pomiar niezbalansowania dżetów: ATLAS, PRL 105, 252303(2010) …ale dla małej statystyki Dla CMS statystyka większa; możliwa analiza bardziej różniczkowa

Zależność od pT dżetu pT,2/pT,1 rośnie z pT wiodącego dżetu Pb CMS, arXiv:1202.5022 □ Dane odniesienia Dane PbPb pT,2/pT,1 rośnie z pT wiodącego dżetu Straty energii obserwowane dla wszystkich wartości pT większe dla bardziej centralnych zderzeń brak widocznej zależności od pT

Gdzie jest brakujący pT tłumionego dżetu? Użyta informacja o śladach cząstek naładowanych Metoda brakującego pT||: Obliczamy projekcję pT zrekonstruowanych śladów cząstek naładowanych na oś wiodącego dżetu 1) Wyznaczenie kierunku wiodącego dżetu

Gdzie jest brakujący pT tłumionego dżetu? Użyta informacja o śladach cząstek naładowanych Metoda brakującego pT||: Obliczamy projekcję pT zrekonstruowanych śladów cząstek naładowanych na oś wiodącego dżetu 1) Wyznaczenie kierunku wiodącego dżetu 2) Sumowanie projekcji pT dla wszystkich śladów w przypadku

Metoda brakującego pT|| 3) Uśrednienie po wszystkich przypadkach by otrzymać średnie brakujące <pT||> Badanie zależności <pT||> od asymetrii AJ: (+) (-) AJ transverse plane (–) (+) jet axis

Brakujący pT|| vs. AJ CMS, PRC 84, 024906(2011) Overall balance ! (+) (-) AJ transverse plane (–) (+) jet axis Po uwzględnieniu wszystkich cząstek naładowanych w stanie końcowym równowaga pędowa przywrócona Zbalansowanie w pT przywrócone niezależnie od asymetrii AJ

Brakujący pT|| vs. AJ Wkłady od różnych wartości pT: CMS, PRC 84, 024906(2011) Wkłady od różnych wartości pT: Low pT excess away from leading jet High pT excess towards leading jet balanced dijets unbalanced 0-30% Central PbPb Nadwyżka dużych pT (>8GeV/c) w kierunku wiodącego dżetu zbalansowana przez cząstki o małych pT (<8GeV/c) w kierunku przeciwnym do wiodącego dżetu

Brakujący pT|| vs. AJ Zależność kątowa (względem osi dżetu): CMS, PRC 84, 024906(2011) Zależność kątowa (względem osi dżetu): (ΔR>0.8) All particles (ΔR<0.8) balanced jets unbalanced jets Nadwyżka cząstek z dużym pT wewnątrz stożka równoważona przez cząstki z małym pT na zewnątrz stożka Obserwowana różnica w pędzie dżetów balansowana przez cząstki o małym pT emitowane pod dużymi kątami względem osi dżetu tłumionego

Funkcje Fragmentacji dżetów ułamek pędu partonu niesiony przez hadron: z=pHadron/pParton Oddziaływanie partonu z ośrodkiem (straty energii) może powodować modyfikacje funkcji fragmentacji (FF) partonu, prowadząc do mniejszej liczby cząstek dla dużego z i wzrostu liczby cząstek dla małego z Pomiar funkcji fragmentacji: Używana informacja nt. dżetu i cząstek naładowanych znajdujących się wewnątrz stożka dżetu Stosowane cięcie na min. pT cząstek (eliminacja wkładu od tzw. ”soft underlying event”)

FF partonów (ilustracja) w zmiennej z: w zmiennej x= ln(1/z): z=pHadron/pParton cząstki niosące duży ułamek pędu partonu cząstki niosące mały ułamek pędu partonu

FF partonów (ilustracja) Wpływ cięcia na minimalny pT cząstek: Ogranicza dostępne wartości ξ Silny spadek FF Spadek FF silniejszy dla partonów z mniejszym pT Mierzone w eksperymencie pTrack|| - składowa pędu cząstki wzdłuż osi dżetu

FF dla zderzeń PbPb x= ln(1/z) CMS HIN-11-004

FF dla zderzeń PbPb x= ln(1/z) CMS HIN-11-004 Fragmentacja dżetów ”leading” i ”subleading” dla PbPb jak dżetów dla pp Brak zależności od centralności zderzenia

FF vs. AJ Różne AJ  różne wartości energii tracone w ośrodku przez parton fragmentujący w dżet ” subleading” symmetric dijets asymmetric dijets 0-30% central PbPb x= ln(1/z) CMS HIN-11-004

FF vs. AJ Różne AJ  różne wartości energii tracone w ośrodku przez parton fragmentujący w dżet ” subleading” CMS HIN-11-004 0-30% central PbPb symmetric dijets asymmetric dijets x= ln(1/z) Fragmentacja nie zależy od energii traconej przez parton Zgodna z fragmentacją w próżni

Bezpośredni pomiar strat energii partonu Photon Jet k Subleading Jet Leading Jet Analiza może być „obciążona”: parton dla dżetu „wiodącego” mógł też oddziaływać z ośrodkiem i stracił część swojej energii Fotony: - z początkowej fazy zderzenia (tzw. fotony bezpośrednie (”direct”)) nie oddziałują z ośrodkiem partonowym Bezpośredni pomiar strat energii partonu g-jet event f h Pierwsza analiza przypadków g-jet: CMS, arXiv:1205.0206 Eksperymentalnie badane tzw. fotony izolowane (odrzucane tło, m.in. z rozpadów p0, h)

Korelacja w kącie azymutalnym Pb CMS, arXiv:12050206 Dane PbPb - Dane odniesienia Zgodność danych PbPb z MC (dane odniesienia) Dla wszystkich centralności zderzenia foton i dżet są ‘back-to-back’ (DfJg ~p)

Niezbalansowanie pędowe xJg = pTJet/pT g vs. Centralność Pb <xJg>: Różnica pomiędzy danymi odniesienia a PbPb – wartości dla PbPb są mniejsze Przy przejściu przez ośrodek parton traci energię CMS, arXiv:12050206

RJg vs. Centralność RJg: Pb RJγ – ułamek fotonów stowarzyszonych z dżetami powyżej progu RJg: Maleje z centralnością zderzenia (pT dżetu przesuwa się poniżej progu – dżet jest tracony) CMS, arXiv:12050206

Podsumowanie (I): Czynnik modyfikacji jądrowej przy LHC CMS, PRL 106, 212301(2011) CMS, PLB 710, 256(2012) Z0 i fotony - nie oddziałują silnie więc nie są tłumione, RAA=1 Hadrony – są tłumione, RAA<1 CMS, EPJC 72, 1945(2012) ALICE, PLB 696, 30(2011)

Podsumowanie (II): Przypadki dwu-dżetowe 1. Ośrodek nie powoduje dekorelacji kątowej partonów (Df ~p) 2. Duże niezbalansowanie w pT dla dżetów (AJ) 3. Równowaga w pT -uwzględniając cząstki o małych pT i dużych kątach 5. Partony fragmentują jak w próżni, niezależnie od energii straconej w ośrodku 4. Straty energii partonów w ośrodku dla wszystkich pT ATLAS, PRL 105, 252303(2010) CMS, PRC 84, 024906(2011) CMS, arXiv:1202.5022 CMS, HIN-11-004

Podsumowanie (III): Przypadki foton-dżet Bezpośredni pomiar: strata energii dżetu vs. początkowa energia partonu |ΔfJg| Jet g 1. Ośrodek nie powoduje dekorelacji kątowej fotonu i dżetu (DfJg ~p) 2. Z centralnością zderzenia, przesunięcie dżetu stowarzyszonego z fotonem w kierunku mniejszych pT (xJg, RJg) CMS, arXiv:1205.0206

Dziękuję za uwagę!