Co Alicja zobaczy po drugiej stronie lustra? Program fizyczny eksperymentu ALICE

Co to jest ALICE? A Large Ion Collider Experimnet – dedykowany eksperyment ciężkojonowy na LHC pp pp, (dd, αα) AA – PbPb, ArAr, NN, OO, KrKr, SnSn pA PbPb przy niższych energiach

ALICE detector HMPID TRD TPC PMD MUON SPEC. ITS TOF PHOS FMD

Jak dobry jest nasz detektor? Akceptacja Wydajności i zdolności rozdzielcze Identyfikacja cząstek

Akceptacja ALICE low-pt high-pt ALICE – optymalizacja na 2 ITS tracking 1 TRD TOF PHOS HMPID TPC -1 ITS krotność -2 1 2 3 20 100 pt ALICE – optymalizacja na low-pt high-pt korelacje między nimi

DpT/pT (%) pp pT (GeV/c) DpT/pT (%) pT (GeV/c) pp central Pb–Pb For pT < 2GeV: 0.5-0.8% central Pb–Pb pp DpT/pT (%) pT (GeV/c) For 2 < pT < 100GeV: 1-5%

Identyfikacja cząstek w ALICE ALICE używa prawie wszystkich znanych metod p/K TPC + ITS (dE/dx) K/p e /p p/K TOF e /p K/p p/K HMPID (RICH) K/p 0 1 2 3 4 5 p (GeV/c) TRD e/ PHOS g /p0 MUON SPECTROMETER 1 10 100 GeV/c

Model Standardowy i Plazma Kwarkowo-Gluonowa MS -> możliwość przejść fazowych przy charakterystycznych gęstościach energii. QCD na siatkach – Tc ≈ 170 MeV / ε ≈ 1 GeV/fm3 Przejście fazowe do stanu uwolnionych kwarków i gluonów ALICE: ε ≈ 1 – 1000 GeV/fm3

Przejście fazowe czy „crossover”? QCD na siatkach Przejście fazowe czy „crossover”? Eksperymenty na RHIC - nowa faza nie jest gazem idealnym!!!

Nowe aspekty fizyki AA @ LHC Duże gęstości partonów determinują produkcję cząstek (xB może sięgać 10-5) Znaczący wkład twardych procesów do przekroju czynnego Dostępne słabo oddziaływujące twarde próby (Z0 W±) 1 – saturacja gluonow – por. HERA 2. Jet quenching 4. – tqgp/t term >> RHIC

Miękkie próby Twarde próby

Fizyka w ALICE Historia fizyki w ALICE (pierwszy okres) Pierwsze pomysły (Aachen, 1990) Prezentacja zainteresowania (Evian, 1992) List intencyjny (1993) i dodatek (1995) Projekt techniczny (1995) i dodatki (1996, 1999) Technical Design Reports (1998 – 2004) Physics Performance Report (2003 – 2005)

Ciężkie jony w LHC ALICE początkowo ‘soft physics experiment’ Główne wyzwanie – rekonstrukcja torów (2000 < dN/ < 8000) Identyfikacja cząstek Fizyka na poziomie EoI and LoI Tracking (widma) PID Interferometria bozonowa (HBT) Pary leptonowe (, ω, φ, J/ψ) Bezpośrednie fotony Globalne charakterystyki przypadków

W stronę twardej fizyki Silna zachęta ze strony LHCC – fizyka obszaru Y Początkowo zostawiona dla eksperymentów pp (CMS) Ale Wysokie obcięcie na Pt w obszarze centralnym Absorber mionowy daleko od punktu oddziaływania – duże tło Niejasna sytuacja z rekonstrukcją mionów przed absorberem wpływ na zdolność rozdzielczą w masie Rezultat  Forward Muon Spectrometer (pierwszy pomysł eksperymentu asymetrycznego – grupa krakowska)

Detekcja otwartego charmu (’95) - Przeprojektowanie detektora wierzchołka Detekcja elektronów & trigger (’98) Identyfikacja elektronów oparta na pomiarze dE/dx w TPC Zdolność rozdzielcza dE/dx pogorszyła się z zaawansowaniem symulacji Brak możliwości wyzwalania, może J/ψ ale nie Υ Propozycja dołączenia Detektora Promieniowania Przejścia (TRD) Fizyka jetów (wyniki z RHIC-a) Duży Kalorymetr Elektromagnetyczny?

Przewidywania SM a obserwable Globalne charakterystyki Krotności, widma η… Rozwój czasowy oddziaływania HBT Fluktuacje event-by-event stosunki neutral-to-charged Stopnie swobody vs. Temperatura stosunki i widma hadronów dileptony bezpośrednie fotony Efekty kolektywne flow Deconfinment, odtworzenie symetrii chiralnej spektroskopia c-cbar, b-bbar dziwność

Fizyka kwarków c i b – informacja o fazie o dużej gęstości Twarda fizyka jet quenching Fizyka kwarków c i b – informacja o fazie o dużej gęstości

Rozkłady krotności, widma e0 = d<ET> dy p R2 tform 1 Informacja o gęstości energii Wzrost szybszy niż ekstrapolacja z pp Model saturacyjny – przewidywania i dane

Korelacje HBT To daje człon inteferencyjny Funkcja korelacji Informacja o czasoprzestrzennym rozwoju oddziaływania Parametryzacja Bertscha: Rside mierzy poprzeczny rozmiar źródła Rout mierzy długość trwania emisji Rlong mierzy czas zamrażania

HBT a ewolucja układu Zaskakujące wyniki z RHIC-a SPS

Pomiary hadronów L  p  Pb-Pb central K*(892)0 K p 15000 central Pb-Pb 300 Hijing events 13 recons. L/event r0(770) p+p- 106 central Pb-Pb f (1020) K+K- Mass resolution ~ 2-3 MeV Mass resolution ~ 1.2 MeV

Dziwność szybki proces – czas relaksacji Masa kwarku s w hadronie ≈ 500 MeV Masa kwarku s gołego (prądowa) ≈ 200 MeV Masa kwarku dziwnego jest czuła na zmiany próżni QCD W plaźmie kwarkowo-gluonowej dominującym mechanizmem produkcji kwarków s jest fuzja gluonów szybki proces – czas relaksacji

Eksperyment - 0.28 (formuła Schwingera) Dla kwarków ubranych γ ≈ 0.28, dla mas prądowych γ ≈ 0.7 Wzmożona produkcja kwarków dziwnych Cząstek dziwnych jest dużo, mają długi czas życia i łatwą do identyfikacji topologię

SPS RHIC STAR Preliminary STAR Preliminary

Quarkonia Dlaczego lubimy lekkie quarkonia? (ssbar)/(ddbar, uubar) czułość na zmianę masy i szerokości w funkcji temperatury  jest łatwe do pomiaru – produkty rozpadu łatwe do identyfikacji (naładowane kaony) Ciężkie quarkonia – tłumienie J/ψ

Tłumienie produkcji  dla zderzeń centralnych (skalowane do pp) Efekt zmiany masy i szerokości? Do opisu danych wymagana jest modyfikacja masy ρ

J/ψ Para c-cbar musi oddalić się od punktu produkcji na odległość rezonansową r – promień J/ - masa ekranowania -1 – promień ekranowania Potencjał oddziaływania c-cbar może być ekranowany obecnością licznych ładunków kolorowych Promień krytyczny może być mniejszy od promienia rezonansowego

Tło – Drell-Yan Efektu powyżej 2.5 GeV/fm3 nie da się wytłumaczyć standardowo. Dwustopniowa struktura to efekt kolejnych „rozpuszczań” RHIC – taka sama struktura tłumienia jak na SPS. Trudniejszy opis ze względu na możliwą koalescencje Tło – Drell-Yan

Gdzie się podział charm? Ekstrapolacja danych pA niedocenia produkcji otwartego charmu w zderzeniach A+A o czynnik 1.27 dla S+U i 1.65 dla Pb+Pb W zderzeniach jądrowych mamy wzmocnienie produkcji charmu! Efekt jest widoczny dla charmu otwartego (nie charmonia!)

Ciężkie kwarki Ciężkie kwarki są produkowane na wczesnym etapie zderzenia, niosą informację o gęstym medium. Propagacja w medium i hadronizacja w porównaniu do bezmasowych kwarków statistical. systematic. C D0 w ALICE: S/B ≈ 10% S/√(S+B) ≈ 40 1 miesiąc runu PbPb

B

Efekty kolektywne - flow Przy braku fluktuacji r()=const

v1, 1 V2, 2

In plane czy out of plane? px2 > py2  v2 > 0 Out-of-plane py2 > px2  v2 < 0 Jaki jest znak V2? (pomiar STAR) Wypływ eliptyczny „in plane”

Nuclear Modification Factor: ‘dense QCD matter’/’QCD vacuum’ Jet quenching Nuclear Modification Factor: ‘dense QCD matter’/’QCD vacuum’

Gdzie jest „back” jet? „Back” jet Trigger jet STAR

Jet ulega „rozpuszczeniu” Trigger jet Back jet

Fotony Fotony są trudną sygnaturą – silne tło fragmentacja Radiacja termiczna deekscytacja QGP/Hadron gas bezpośrednie Fotony są trudną sygnaturą – silne tło

Fotony – źródła i teoria Rate Hadron Gas Thermal Tf QGP Thermal Ti “Pre-Equilibrium”? Jet re-interaction Fotony w stanie końcowym są sumą emisji z całej historii zderzenia pQCD Prompt x√s Eg

Fotony z RHIC Konsystentne z QGP T0 ≈ 590 MeV

Jety fotonowe g Dominujące procesy : g + q → γ + q (Compton) 104 / year in minbias Pb+Pb Dominujące procesy : g + q → γ + q (Compton) q + q → γ + g (Anihilacja) pT > 10 GeV/c Fotony nie są zaburzone przez medium

Fizyka pp w ALICE DpT/pT (%) pp pT (GeV/c) DpT/pT (%) pT (GeV/c) pp central Pb–Pb pp DpT/pT (%) pT (GeV/c) central Pb–Pb pp DpT/pT (%) pT (GeV/c)

Motywacja dla programu p+p: Miękka fizyka w nowym obszarze energetycznym (above the “knee”) Fizyka małych xB Dane referencyjne dla A+A Wszystkie obserwable mierzone w A+A muszą być mierzone w p+p LHC B factories Tevatron

Ultraperyferyjne zderzenia A+A Szybko poruszające się jądra są otoczone silnym polem EM Źródło kwazirzeczywistych fotonów Wymiana wielu fotonów

Promienie kosmiczne w ALICE ALICE może mnieść znacący wkład do fizyki promieniowania kosmicznego: Mozliwość rejestracji i identyfikacji wielkich krotności Możliwośc precyzyjnego pomiaru pedów ALICE możę wykorzystać istniejącą „tablicę” 50x50 m2 liczników (40) umieszczoną na dachu budynku nad detektorem. Istnieje możliwość rozbudowy.

Podsumowanie Program fizyczny ALICE obejmuje większość zgadnień fizyki hadronowej (pp, PA, AA). Oprócz tego wnosi nowe aspekty do fizyki fotonowej i fizyki promieniowania kosmicznego.