Program I) Ogólny opis produkcji cząstek: zmienne kinematyczne opisujące produkcję cząstek oraz metody ich identyfikacji ogólna charakterystyka obszarów badań pod względem skali energii (BEVELAC/SIS, AGS, SPS, RHIC,LHC) model termiczny i statystyczny produkcji cząstek: założenia i porównanie z eksperymentem produkcja cząstek dziwnych, powabnych II) Poszukiwanie plazmy kwarkowo-gluonowej obserwacje „jet”-ów, czynnika jądrowego oraz pływu materii w zderzeniach URHIC III) Metody eksperymentalne: przykłady detektorów (detektory będą omawiane przy okazji przykładów eksperymentów) IV) Widma stanów hadronów wg. modeli kwarkowych/stany egzotyczne Stany wzbudzone QCD: bariony, mezony(w szczególności z powabem – „positronium w QCD” symetria chiralna a pochodzenie mas hadronów Modyfikacja mas w materii jądrowej

Produkcja cząstek w wysokoenergetycznych w zderzeniach elementarnych i ciężkich jonów Dlaczego się tym zajmujemy? mechanizm powstania hadronów (podróż do początków wszechświata) własności materii jądrowej w stanach ekstremalnych (dużej temperatury i gęstości)-> równanie stanu materii jądrowej (ewolucja gwiazd) własnośći oddziaływań silnych (QCD) własności hadronów w gęstej i gorącej materii jądrowej  problem uwięzienia, mechanizm generacji mas hadronów

Back to big-bang Natura Experiment Podróż do początku wszechświata 10 –6 sec 10 –4 sec 3 min 15 miliardów lat Quark-Gluon Plasma Nukleony Jądra at. Atomy Dziś Natura Experiment Big-bang

t=300 000 lat ~ 1 eV ~3000 K t=10-12 s ~ 1 TeV -LHC

Kalendarz wszechświata dzisiaj powstanie galaktyk dominacja materii Nukleosynteza Materia kwarkowo gluonowa powstanie hadronów Planck epoch Grand unification Hubble Expansion T = 100 MeV T = 1.16*1012 K słońce : T=1.1*107 K Ekspansja Hubble Promieniowanie tła Reakcje ciężkojonowe URHiC

Dowody na "wielki wybuch" Ekspansja wszechświata (prawo Hubbla) Promieniowanie tła Nukleosynteza Czy można odwrócić bieg czasu i odtworzyć hadrosynteze z materii Kwarkowo-Gluonowej?

Ekspansja wszechświata Pomiar prędkości ucieczki gwiazd poprzez przesunięcie ku czerwieni lini spektralnych gwiazd (Efekt Dopplera) Pomiar odległości poprzez pomiar jasności gwiazd zmiennych (Cefeidy)-wzorcowa świeca wszechświata

Wyznaczanie stałej Hubble’a (H0) Stała Hubble’a jest z wielu względów najbardziej fundamentalnym parametrem kosmologicznym. Charakteryzuje obecne tempo ekspansji Wszechświata. H(t) = [dR(t)/dt]/R(t) stała Hubble’a H0 = H(t0) oraz z = H0d/c Z- przesunięcie ku czerwieni długości fali fotonów Ta ostatnia zależność (prawdziwa dla z ≲ 0,2) daje nam pierwszą metodę pomiaru H0: H0 = c z/d Wielkościami, które należy mierzyć są: przesunięcie ku czerwieni, z (dość łatwe), odległość, d (metodą niezależną od prawa Hubble’a, oczywiście). Ruchy własne galaktyk będą dawać naturalny rozrzut tej relacji.

Ekspansja wszechświata Pomiar prędkości ucieczki gwiazd poprzez przesunięcie ku czerwieni lini spektralnych gwiazd (Efekt Dopplera) Linie absorpcji wodoru Vźródła e  p Słońce Daleka gwiazda

Wyznaczenie odległości -cefeidy - Porównanie jasności obserwowanej z kalibrowaną z okresu zmian jasności Standardowe „ świece „ w astronomi L = L0/4d2

Prawo Hubble V = H · D E. Hubble, 1924 Gwiazdy i galaktyki oddalają się od ziemi z prędkością (V) która zwiększa się z odległością (D) Trully Fischer – relacje jasności galaktyk spiralnych z ich prędkością rotacji a obserwowaną janością Supernove – pomiar czasu który potrzeba na pełne oświetlenia pierścienia wokół gwiazdy która wybuchła jako supernowa (pierscień jest przed wybuchem) . Stąd można obliczyć średnice dysku-d. Z drugiej strony można zmerzyć rozmiary kątowe dysku (theta) i stad wyznaczyć odległośc theta = d/D <H> = (72 ±8) km/s Mpc = 1/(15 ·109 lat) ~ Hubble: co 5 sekund objętość wszechświata powiększa się o przestrzeń zajmowaną przez Drogę Mleczną

Wiek wszechświata= D/V = 1/H Wielki wybuch Ekspansja ze stałą prędkością oznacza że przed 15 Miliardami lat powstał wszechświat. Wiek wszechświata= D/V = 1/H

Pozostalość po wybuchu-poświata… promieniowanie ciała doskonale czarnego o T=2.725 K 2001-2006 Satelita WMAP odstępstwa od T=2.725 w skali 0.0002K ! 1989 satelita COBE The CMB's discovery in 1964 by radio astronomers Arno Penzias and Robert Wilson[2] (Tmeasured=3K) was the culmination of work initiated in the 1940s, and earned them the 1978 Nobel Prize. Jan 1992 Scientists who analyzed data from RELIKT-1 spacecraft report the discovery of anisotropy at the Moscow astrophysical seminar.[24] Apr 1992 Scientists who analyzed data from COBE DMR announce the discovery of the primary temperature anisotropy.[25] Poświata z wszechświata który miał 380.000 lat i T=3000 K ! Wilson, Penzias’1964 -1978 Nagroda Nobla

Misja-WMAP Obserwacje: od 30 VI 2001 orbita: okolice L2, 5 pasm w zakresie między 22 a 90 GHz

Misja-WMAP co zawiera rozkład anizotropii- kątowe widmo mocy Do obserwowanej mapy anizotropii dopasowuje się współczynniki alm następującego szeregu: gdzie Ylm(θ,φ) są funkcjami kulistymi. Kątowe widmo mocy to zwykle zależność l(l+1)Cl/2π (moc kątowa) od l (liczba multipolowa), gdzie Cl zdefiniowane jest jako:

Intepretacja Zakłada się ogólnie, że fluktuacje gęstości obecne we wczesnym Wszechświecie, a będące następstwem procesów kwantowych, zostały powiększone przez inflację. Niezależnie od roli inflacji, przyjmuje się, że wczesny Wszechświat zawierał fluktuacje gęstości Przed rozproszeniem, większość materii we Wszechświecie stanowiła niebarionowa ciemna materia, z której to właśnie składały się przede wszystkim fluktuacje gęstości, nazwijmy je zgęstkami. . W tym samym czasie (przed rozproszeniem) promieniowanie bardzo silnie oddziaływało z materią barionową tworząc coś, co nazywamy cieczą fotonowo-barionową. W rozszerzającym się Wszechświecie efekty ciśnieniowe w cieczy fotonowo-barionowej nie mogły oddziaływać na odległościach większych od ct. W miarę upływu czasu, skala tych efektów rosła i kiedy osiągnęła rozmiary zgęstka ciemnej materii, w cieczy przyciąganej przez zgestek wzrosło ciśnienie, co prowadziło do reakcji rozprężenia cieczy. Ciecz zawarta w takim zgęstku mogła przejść kilka takich „oscylacji”. Zgęstki takie generowały więc fale akustyczne w cieczy fotonowo-barionowej

WMAP: mapa anizotropii W pośrednich skalach (l = 50 – 1000), kątowe widmo mocy pokazuje efekt fal akustycznych w momencie ostatniego rozproszenia. W tym momencie, niektóre długie fale osiągały właśnie stan maksymalnej kompresji po raz pierwszy. Ta kompresja rozgrzewała nieco ciecz fotonowo-barionową, co spowodowało, że fotony CBR, które z tego miejsca zostały wysłane miały nieco większe energie. Przestrzenna skala anizotropii była rzędu ctdec (horyzont akustyczny), czyli około 380 tys. lat świetlnych ≈ 115 kpc. We Wszechświecie z płaską geometrią (k = 0), taka struktura odpowiada kątowi około 1º. Pierwsze maksimum akustyczne (dopplerowskie) pojawia się więc dla l = 220.1 ± 0.8, pierwsze minimum – dla l = 411.7 ± 3.5. Dla wiekszych l pokazują się dalsze maksima akustyczne odpowiadające dwukrotnej, trzykrotnej, itd. kompresji. maksima akustyczne

Nukleosynteza Materia widzialna we wszechświecie składa się głównie z : wodoru (H), Helu (4He), deuteru (2 H) , trytu (3He) , Litu (7Li) w stosunku; 0.25 4He/H 10−3 2 H/H 10−4 3He/H 10−9 7Li/H Model W. Wybuchu odtwarza te stosunki!

Materia we wszechświecie Znamy tylko 4% wszystkiego co nas otacza !! co stanowi ciemną materię „Dark matter”? co jest ciemną energią ? dlaczego wszechświat „widzialny” składa się tylko z materii a brak jest anty-materii? The WMAP mission's determination of the age of the universe to better than 1% precision was recognized by the Guinness Book of World Records. The current expansion rate of the universe is (see Hubble constant) of 70.5 ± 1.3 km·s−1·Mpc−1. The content of the universe presently consists of 4.56%  ±  0.15% ordinary baryonic matter; 22.8%  ±  1.3% Cold dark matter (CDM) that neither emits nor absorbs light; and 72.6%  ±  1.5% of dark energy in the form of a cosmological constant that accelerates the expansion of the universe. Less than 1% of the current contents of the universe is in neutrinos, but WMAP's measurements have found, for the first time in 2008, that the data prefers the existence of a cosmic neutrino background [7] with an effective number of neutrino flavors of 4.4  ±  1.5, consistent with the expectation of 3.06. The contents point to a ``flat" Euclidean flat geometry, with the ratio of the energy density in curvature to the critical density 0.0179 < Ωk <0.0081 (95%CL). The WMAP measurements also support the cosmic inflation paradigm in several ways, including the flatness measurement.

Problemy tWW

poprzez produkcja cząstek w zderzenia relatywistycznych ciężkicj jonów Jak zbadać własności materii 10 mikrosekund po wielkim wybuchu? Czy własności hadronów (ich masy, rozpady) były wtedy takie jak dziś? poprzez produkcja cząstek w zderzenia relatywistycznych ciężkicj jonów

confinement (związanie) Nucleon confinement (związanie) de-confinement Quark-Gluon matter nucleus

Przebieg reakcji (ultra-relatywistycznej) Materia jądrowa: r0 = 0.17 /fm3 e0 = 0.16 GeV/fm3 przed zderzeniem Zderzenie podgrzanie i kompresja Quark-Gluon Plasma r = 1.2 /fm3 e = 3 GeV/fm3   4*10 -23s  10 fm/c 1. Czas hadronizacji we wczesnym wszechświecie znacznie dłuższy ~ 30 s ( grawitacja !) 2. Symetria materia-antymateria "fireball" Ekspansja i "zastygnieńcie składników". Pomiar T Brak oddziaływań pomiędzy hadronami Czas

Ewolucja w czasie zderzenia (Bjorken) p K f L jet m QGP g e Czas g e T = 120 MeV e = 0.06 GeV/fm3 T = 170 MeV e = 0.6GeV/fm3  Ekspansja T = 230 MeV e = 3 GeV/fm3 To = 0 MeV eo = 0.16 GeV/fm3 Przestrzeń Au 200 AGeV "collider"

Diagram fazowy materii jądrowej Quark-Gluon Plasma Nuclear matter Density (Kg/m3) Temperature (K) 1x1012 2x1012 3x1012 4x1012 1 x 1018 2 x 1018 trajektoria reakcj A+A

Fireball-kula ognista Photon Pion Kaon Lambda J/Psi pary e+e-

Jak określić temperaturę? Z widma promieniowania fotonów (innych cząstek?) Np: dla słońca poprzez pomiar fotonów i prawo Plancka Dla wszechświata dzisiaj- promieniowanie tła (2.73 K)

Pomiar temperatury powierzchni słońca Widmo fotonów: rozkład bozonów Plancka długość fali (nm) Intensywność M. Planck 1900 T = 6000 K gęstośc fotonów = 4 ·1012 Photon/cm3

Pomiar temperatury materii poprzez pomiar widm emitowanych cząstek T = 100 MeV T = 1012 K Widmo pionów 100 000 bardziej gorące niż słońce ! Intensywność Energia kinetyczna Slope Nachylenie widma ~Temperatura w momencie zastygnięcia fireball thermall freeze-out Rozkład Boltzmana cząstek termicznych (nierelatywistyczny): T = 100 MeV

Energia termiczna (kT) może być zamieniona na energię nowych cząstek (mc2 ) Prawdopodobieństwo produkcji rozkład Bolztmana dn~ m-3/2exp(-Ekin/kT) Określenie abundancji cząstek pozwala na określenie temperatury i gęstości materii w momencie produkcji hadronów  "chemical freez-out"

Obserwacja: ‘Temperatura zależy od masy cząstek " Massa cząstki powód: Kula ognista rozszerza się z prędkością V. Materią uległa kompresji: Ekin  3/2kT + ½ mV2 T = 120 MeV Vekspansji = 0.55 c bez ekspansji źródła keine Expansion Rozszerzająca się „kula ognista”

Charakterystyka „mikro-wybuchu” prprędkość rozsz. [v/c] 130 MeV Temperatura [MeV] Energia wiązki

GSI/Bevelac FAIR CERN RHIC LHC Bariony Hadrony(mez+barion) Partony(SQGP) ???? + partrony? 10-30 158 [A GeV] 17 200 // 5.5 TeV! 1-2 2 5-8 [GeV] √sNN

Akcelaratory [GeV] GSI/ Bevelac AGS SPS RHIC (collider!) Tevatron (LEP) LHC EKin/A [GeV] 2 10-15 40-200 100 1000 2700 [GeV] 2.7 4.5 8.8-19.4 200 2000 5500   UWAGA: Energia progowa na produkcję czastki X w np. reakcja nukleon+nukleon : s=2*MN + MX ale do tworzenia cząstek o nowym zapachu potrzeba więcej energii (stowarzyszona produkcja!) np dziwność: NN->N K+ (S=1) (S=-1) Dla wiązek przeciwbieżnych i anihilacji (np. e+e-) cała energia idzie na produkcje cząstek

GSI-Darmstadt

Storage and Cooler Rings GSI-FAIR (od 2018) SIS 18 U73+ 1.0 GeV/u 109 ions/s Ni26+ 2.0 GeV/u 1010 protons 4.5 GeV 2.8x1013/s 18Tm (1.8 T magnets) SIS 100 U28+ 2.7 GeV/u 1012 ions/s protons 30 GeV 2.8x1013/s 2T (4T/s) magnets SIS 300 U92+ 34 GeV/u 1010 s 6T (1T/s) magnets Secondary Beams Radioactive beams up to 1.5 GeV/u Antiprotons up to 30 GeV PANDA Storage and Cooler Rings Radioactive beams e-A collider HESR: Antiprotons 1.5- 15 GeV HADES p = Z/A*0.3*B*R [T, GeV/c]

CERN SPS : 1986 - 2003 LHC : 2015 p up to s = 6.5 TeV/beam BNL S and Pb ; up to s =20 GeV/nucl pair hadrons, photons and dileptons LHC : 2015 p up to s = 6.5 TeV/beam ALICE /ATLAS/ CMS experiments BNL AGS : 1986 - 2000 Si and Au ; up to s =5 GeV /nucl pair only hadronic variables RHIC : 2000 Au ; up to s = 200 GeV /nucl pair hadrons, photons, dileptons, jets

Relativistic Heavy Ion Collider BRAHMS PHOBOS RHIC PHENIX STAR

Największe akceleratory świata LHC koło Genewy 1 pierścień dla 2 wiązek protonów o pronieniu R = 4.3 km. Zaprojektowany do energii 7 TeV (protony) i 2.7 TeV/u Pb TEVATRON 20 km od Chicago 2 pierścienie protonów i antyprotonów p pronieniu R = 1km. Przyspiesza do energii 1 TeV (1000 GeV !) każdy

Large Hadron Collider LHC am CERN Energie in einer Blei-Blei Kollision 1150 TeV = 0.18 mJ Faktor 300 höher als in SPS Experimenten sehr heisser Feuerball! T = 1000 MeV

Detektory reakcji ciężkojonowych Detektory wiązek przeciwbieżnych – przykład detektor STAR (RHIC) Detektory dla tarcz stacjonarnych – przykład HADES (GSI)

Oddziaływanie cząstek z materią IONIZATION

Elektrony/fotony/miony/hadrony Bremsstrahlung – e/ Rozdzielenie detekcji: Ionization M>>me M ~300Me Bremmstrahlung

Detektory Cerenkova

STAR Detektor EEMC/BEMC kalorymetr elektromagnetyczny HFT TPC MTD BBC EEMC TOF HFT EEMC/BEMC kalorymetr elektromagnetyczny Magnet- magnes solenoid MTD- Muon Detektor TPC- Komora Projekcji czasowej TOF – Detektor Czasu przelotu HFT – detektor wierzchołka BBC – Detektor wiazki

Au on Au Event at CM Energy ~ 130 A-GeV Zderzenie kwasi-centralne w TPC

Identyfikacja cząstek - STAR TPC K p d π e, μ Pęd – z zakrzywienia toru w polu manetycznym

HADES detector Side View RICH – GAS Cerenkov detector START RICH – GAS Cerenkov detector MDC – komory dryfowe TOF – czas przelotu SHOWER –detektor kaskady em.

Electron identification-RICH =1/(1-2 ) 3 ~ gpiony /protony < gpróg < glep C4F10 : gpróg = 18.3 pp> 3 GeV/c

Identyfikacja hadronów pęd vs prędkość (β) TOF ~120 ps