Fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkich jonów

Prezentacja na temat: "Fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkich jonów"— Zapis prezentacji:

1 Fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkich jonów
Część I: Motywacja Cele fizyczne Akceleratory & Eksperymenty Eksperyment PHOBOS przy akceleratorze RHIC Aparatura Selekcja przypadków Część II: Eksperyment PHOBOS przy akceleratorze RHIC Plany na przyszłość Przegląd wyników doświadczalnych 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

2 PHOBOS – dane doświadczalne Odkrycie nowego stanu materii
Plan PHOBOS – dane doświadczalne Odkrycie nowego stanu materii - przewidywania vs. obserwacje - ewidencja w oparciu o wyniki eksperymentu PHOBOS Przyszłość: ATLAS na akceleratorze LHC Badanie zderzeń Pb+Pb przy energii sNN = 5500 GeV 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

3 Dane z eksperymentu PHOBOS
Liczby przypadków zapisanych na taśmę w milionach: sNN(GeV) p+p d+Au Cu+Cu Au+Au 410 20 200 100 150 400 250 130 4.3 62.4 110 22 55.9 1.8 22.5 19.6 ~1 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

4 Dane z eksperymentu PHOBOS
Podłużne charakterystyki naładowanych cząstek badane w funkcji pseudorapidity, : 19.6 GeV 62.4 GeV 130 GeV 200 GeV centralność Au+Au Cu+Cu d+Au Eksperymenty, które badają zderzenia wysoko-krotne lub mają ‘ubogą’ aparaturę używają “pseudorapidity” 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

5 Dane z eksperymentu PHOBOS
Asymetrie w rozkładach kątów azymutalnych: dN/d() = N0 {1 + 2v1cos () + 2v2cos (2) )} 19.6 GeV 62.4 GeV 130 GeV 200 GeV Au+Au Au+Au Cu+Cu Cu+Cu 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

6 Dane z eksperymentu PHOBOS
Poprzeczne charakterystyki naładowanych cząstek badane w funkcji pT: 62.4 GeV 200 GeV centralność Au+Au Cu+Cu d+Au 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

7 Dane z eksperymentu PHOBOS
Identyfikacja cząstek naładowanych w szerokim zakresie pT: pT (GeV/c) 0.03 0.5 5.0 Cząstki zatrzymujące się (Kraków) dE/dx TOF Eloss (MeV) 1 2 3 4 5 p (GeV/c) 30 40 50 60 70 1/v (ps/cm) p+p K +K ++-  K p d 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

8 ...Krotności produkowanych cząstek...
13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

9 Pojedynczy przypadek: ‘rozwinięty’ w 
f Vertex Spec Spec -5.4 -3 +3 +5.4 h Pierścienie Oktagon Pierścienie 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

10 Krotność naładowanych cząstek
Centralne zderzenia Au+Au Całkowita krotność naładowanych cząstek-Nch: 200 GeV 130 GeV GeV 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

11 Pomiary w centralnym obszarze rapidity
W zderzeniach nukleon-nukleon (NN), badamy wysokość “plateau” W zderzeniach A+A, normalizujemy gęstość cząstek na parę oddziaływujących nukleonów, aby bezpośrednio porównać z NN (mid-rapidity) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

12 Gęstość cząstek produkowanych w środkowym obszarze rapidity dla centralnych zderzeń Au+Au
6% centralność <Npart> = 344  10 Teoria 1999 Teoria 2000 PHOBOS 2001 PHOBOS 2000 PRL 85 (2000) 3100 PRL 88 (2002) Każde efektywne zderzenie nukleon-nukleon w centralnych zderzeniach jądro-jądro produkuje ok. 50% więcej cząstek niż zderzenie pp! 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

13 Ekstrapolacja do zderzeń Pb+Pb @LHC
Ekstrapolacja do LHC sNN(LHC)=30 sNN(RHIC) A + A Fit dN/d  1300 Model saturacji dN/d  2000 HIJING MC dN/d  6000 200 GeV Au+Au 6% najbardziej centralnych przypadków dN/d = 655  35 50% więcej niż w p+p 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

14 ...Odkrycie nowego stanu materii...
13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

15 Przewidywania dla zderzeń A+A
Rachunki Chromodynamiki Kwantowej na sieciach: Gwałtowny wzrost gęstości energii,  (T) przy temperaturze Tcrit = 191  8 MeV crit = 0.7  0.2 GeV/fm3 Wzrost gęstości energii jest związany ze wzrostem liczby stopni swobody Materia istnieje w dwóch różnych fazach powyżej i poniżej Tcrit, crit . Zmienne termodynamiczne osiągają 80% wartości charakterystycznej dla idealnego gazu nieoddziaływujących cząstek (granica Stefan-Boltzmann’a). Kreacja nowego stanu materii, tzw. Plazmy Kwarkowo-Gluonowej (QGP), złożonego ze swobodnych kwarków i gluonów 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

16 Ewidencja w oparciu o wyniki uzyskane przez Współpracę PHOBOS
RHIC: Odkrycia Wyniki uzyskane dla centralnych zderzeń Au+Au przy energii sNN = 200 GeV przez cztery eksperymenty: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS i STAR wskazują na: Kreację nowego stanu materii o bardzo dużej gęstości energii (najwyższej wyprodukowanej w warunkach laboratoryjnych) Stanu tego nie można opisać przy pomocy ‘hadronowych’ stopni swobody Składniki tego nowego stanu materii oddziaływają bardzo silnie; system zachowuje się jak idealna ciecz (lepkość  0). To nie jest przewidywana słabo-sprzężona plazma kwarkowo-gluonowa! From the data taken thus far with the following conclusions can be drawn We are only at the start of understanding the properties of this system Ewidencja w oparciu o wyniki uzyskane przez Współpracę PHOBOS 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

17 ...Kreacja stanu materii o ekstremalnie wysokiej gęstości energii...
13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

18 Gęstość energii Centralne zderzenia Au+Au , s = 200 A GeV
Energia niesiona przez cząstki o porównywalnych poprzecznych i podłużnych składowych pędu (~równowagi termicznej) Gęstość cząstek naładowanych: dNch/d = 655  35 =1 =-1 45o Rozkłady pT: Epart = 0.6 GeV Poprawki na cząstki neutralne oraz te dla których pL  pT : Etot(||1) = 1600 GeV Objętość w której zdeponowana jest energia Rozmiar poprzeczny ~150 fm2 (Au ) Rozmiar podłużny ~2.0 fm (2 fm=czas do osiągnięcia równowagi, oszacowany z pomiarów anizotropii pędowych) Konserwatywne oszacowanie dolnej granicy na gęstość energii  13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

19 Gęstość energii Centralne zderzenia Au+Au , s = 200 A GeV
Gęstość energii w nukleonie ≈ 0.5 GeV/fm3 Gęstość energii w jądrze ≈ 0.15 GeV/fm3 Stanu materii o tak dużej gęstości energii nie można opisać przy pomocy ‘hadronowych’ stopni swobody 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

20 ...Kreacja stanu materii o wypadkowej liczbie barionowej (B-B)  0...
13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

21 Pomiary stosunków antycząstek do cząstek
Dwu-ramienny spektrometr magnetyczny B=2T z -x 10 cm y 70 cm Dokładność pomiaru pędu 1 – 2 % Odwracalne pole magnetyczne Dwa symetryczne ramiona Seria niezależnych pomiarów Poprawki na akceptancję i wydajność znoszą się 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

22 Siła pola magnetycznego odtwarzana z dokładnością lepszą niż 1%
Magnes By (T) B Field Map Siła pola magnetycznego odtwarzana z dokładnością lepszą niż 1% cm 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

23 Stosunki cząstek – zależność od energii
A+A central collisions K–/K+ p/p Wypadkowa gęstość barionowa w obszarze mid-rapidity szybko spada z energią (B/B  1) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

24 Barionowy potencjał chemiczny, B
B – miara energii, którą należy dodać do systemu aby wyprodukować pojedynczy barion Normalna ‘zimna’ materia jądrowa: B  920 MeV Zmierzone <K–>/<K+> i <p>/<p> + statystyczny model (F. Becattini et al.,PRC64,024901,2001) z T  160 – 170 MeV  B 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

25 B – zależność od energii
Oszacowany barionowy potencjał przy sNN = 200 GeV: B = 26  2 MeV LHC ~1 MeV? Materia ~ wolna od barionów, tak jak we wczesnym Wszechświecie 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

26 …silne oddziaływania pomiędzy składniki tego gorącego stanu…
13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

27 Kolektywny wypływ (‘flow’) cząstek
Początkowa anizotropia w (x,y) Płaszczyzna reakcji x z y - definiuje R, (kierunek parametru zderzenia) Zderzenie A+A, b  0 y f x Rozpraszanie cząstek Flow pattern of thousands of produced particles; It is very difficult to convert the spatial anisotropy of the matter Distr. Into a momentum space anisotropy once the system cools down and pressure gradients Can not be set up. Efekty czułe na: wczesne etapy ewolucji systemu (gradient ciśnienia przy maksymalnej kompresji materii) równanie stanu, które rządzi ewolucją stopień osiągniętej równowagi (wtórne rozproszenia cząstek) Końcowa anizotropia w (px,py) py px 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

28 Efekty kolektywne – wypływ eliptyczny
Widok zderzenia w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny reakcji (x’  , z  oś wiązki): y’ y x’ R x b Początkowa deformacja w układzie współrzędnych Rozpraszanie cząstek Asymetria azymutalna w rozkładach pędów „wypływ eliptyczny” 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

29 Kolektywny wypływ (‘flow’) cząstek
px py Pomiar końcowej anizotropii azymutalnej (f-R) Rozwinięcie Fourierowskie rozkładów kątów azymutalnych: dN/d( - R ) = N0 (1 + 2v1cos (- R) + 2v2cos (2(- R)) ) Elliptic Flow: v2 Flow pattern of thousands of produced particles; It is very difficult to convert the spatial anisotropy of the matter Distr. Into a momentum space anisotropy once the system cools down and pressure gradients Can not be set up. 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

30 Wypływ eliptyczny v2 > 0 PHOBOS: Au+Au sNN=200 GeV
 Silne oddziaływania między cząstkami we wczesnym etapie ewolucji systemu Po raz pierwszy przy energiach akceleratora RHIC współczynnik anizotropii jest poprawnie opisany przez modele hydrodynamiczne, zakładające idealny przepływ (mfp=0)!! The system does not behave anything like a weakly interacting gas of q and g; it is more like a liquid (mfp=0) with very low viscosity (zero resistance to flow) Radial and elliptic flow surprisingly well described by ideal hydrodynamics 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

31 Produkcja cząstek o bardzo małych pT
Jeżeli powstaje układ słabo-oddziaływujących cząstek, to spodziewamy się wzmocnionej produkcji cząstek o bardzo małych pędach poprzecznych (długości fal rozmiaru systemu). PHOBOS jest jedynym eksperymentem, który pozwala na pomiar cząstek o bardzo małych pędach. Enhanced ...long-wavelengths, up to the overall size of the system (particles initially produced With low velocity are subsequently Accelerated by the interactions. Pomiar: (+ + -) (K+ + K-) ( p + p ) z pT = – GeV/c w zależności od masy cząstki Analiza wykonana w Krakowie Dr Adam Trzupek doktorant, magistrantka 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

32 (metoda energia-zasięg)
Szukanie cząstek zatrzymujących się w 5-tej płaszczyźnie spektrometru Pomiar masy (metoda energia-zasięg) X[cm] A B C D E F Z[cm] Beam pipe 20 Eloss=dE Mp = <dE/dx>Eloss m (1/2) ( m2) 10 Cięcia na dE/dx w k.płaszcz. ”Sprawdzenie hipotezy masowej” Z [cm] P Ek=21 MeV Cięcia na Eloss (Ek=energia kinetyczna) ”Sprawdzenie hipotezy pędowej” K Ek=19 MeV dE/dx  Ek= 8 MeV Poprawki akceptancja wydajność tło A B C D E Płaszczyzna Si 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

33 Metoda c.d. Wyniki MC DANE Sprawdzenie metody: Au+Au sNN=200 GeV
15% centralne Sprawdzenie metody: Rekonstrukcja cząstek MC o małych pędach (p,p) (p,p) Eloss <dE/dx>[10-3GeV2/cm] Eloss <dE/dx>[10-3GeV2/cm] (K+,K–) (K+,K–) (+,) (+,) MC DANE Eloss [MeV] Eloss [MeV] 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

34 Produkcja cząstek o bardzo małych pT
Centralne zderzenia Au+Au sNN = 200 GeV Nie obserwuje się wzmocnionej produkcji cząstek o małych pT (30 MeV/c dla ) Widma wypłaszczają się przy małych pT, silniej dla cięższych cząstek. mT = pT2+mh2 TBE= 229 MeV for (++-) 293 MeV for (K++ K-) 392 MeV for (p + p) Enhanced ...long-wavelengths, up to the overall size of the system (particles initially produced With low velocity are subsequently Accelerated by the interactions.  Poprzeczna ekspansja systemu przyśpiesza cząstki początkowo wyprodukowane z małymi pędami. Pośrednia ewidencja, że cząstki silnie oddziaływają! 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

35 Produkcja cząstek o dużych pT
b p+p: twarde rozproszenie w ‘próżni’ QCD (z dużym przekazem czteropędu) c d a b A+A: Twarde rozproszenie w gorącej materii QCD Tłumienie produkcji cząstek o dużych pT związane ze stratami energii partonów przechodzących przez gorący/gęsty ośrodek (J.D.Bjorken,1982) „jet quenching” The coupling strength becomes too weak to maintain local equilibrium thus hydro is not applicable, but pQCD provides quantitative predictions For high momentum transfer processes, induced via short-range interactions, the perturbative QCD factorization theorem should hold: 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

36 Produkcja cząstek o dużych pT
Dla procesów z dużym przekazem pędu obowiązuje faktoryzacja QCD: każde zderzenie nukleon-nukleon może być źródłem twardego rozproszenia. Czynnik modyfikacji jądrowej: ‘gęsta materia QCD’/’próżniaQCD ’ Ncoll – liczba zderzeń N - N RAA The coupling strength becomes too weak to maintain local equilibrium thus hydro is not applicable, but pQCD provides quantitative predictions For high momentum transfer processes, induced via short-range interactions, the perturbative QCD factorization theorem should hold: |twarde rozproszenia” RAA=1 (skalowanie z Ncoll ) Brak efektów jądrowych pT(GeV/c) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

37 Tłumienie produkcji hadronów o dużych pT
Stosunek rozkładów pT: AA/pp PLB 578 (2004) 297 pT (GeV/c) RAuAu mid- peripheral central RAA – Czynnik modyfikacji jądrowej RAA =1 w przypadku skalowania z liczbą zderzeń nukleon-nukleon RAA > 1 dla reakcji przy niższych energiach: SPS i ISR RAA < 1 dla centralnych zderzeń A+A przy energii RHIC 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

38 Dwa alternatywne wytłumaczenia efektu tłumienia:
Tłumienie produkcji hadronów o dużych pT Dwa alternatywne wytłumaczenia efektu tłumienia: Straty energii partonów w gęstym ośrodku (w stanie końcowym)? Wskazują na kreację silnie oddziaływującej materii o dużej gęstości (QGP)! Tłumienie w stanie początkowym? Wskazuje na efekty wielo-partonowe w jądrowej funkcji falowej (Saturacja w rozkładach gęstości partonów przy wysokich energiach) Rozstrzygnięcie poprzez ‘wyłączenie’ stanu końcowego Au+Au  d+Au 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

39 Tłumienie produkcji cząstek o dużych pT
Dla centralnych zderzeń Au+Au produkcja cząstek jest tłumiona w porównaniu do danych p+p przeskalowanych przez Ncoll Brak tłumienia dla zderzeń d+Au RAA<<1 RAA  1 All four experiments showed results that indicate a large suppression (up to a factor of 5) of high pT hadrons relative to the scaled pQCD expextations as shown here from PHOBOS measurements; The suppression grows as one gets to more and more central collisions; Partons loose energy and thus all their frgmentation products end up with lower momenta Direct evidence that high energy Density matter interacts verystrongly with High pT partons or with whatever Constituents comprise the dominant dof At this early stage. 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

40 Tłumienie produkcji cząstek o dużych pT
PHOBOS: Au+Au d+Au PLB 578 (2004) 297 pT (GeV/c) RAuAu mid- peripheral central RdAu Au+Au mid-rapidity, 0.2<y<1.4 PRL 91 (2003) All four experiments showed results that indicate a large suppression (up to a factor of 5) of high pT hadrons relative to the scaled pQCD expextations as shown here from PHOBOS measurements; The suppression grows as one gets to more and more central collisions; Partons loose energy and thus all their frgmentation products end up with lower momenta Direct evidence that high energy Density matter interacts verystrongly with High pT partons or with whatever Constituents comprise the dominant dof At this early stage. Bezpośrednia ewidencja, że partony o dużym pT oddziaływają z materią o dużej gęstości energii! 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

41 Odkrycie nowego stanu materii o ekstremalnie wysokiej
Podsumowanie Odkrycie nowego stanu materii o ekstremalnie wysokiej gęstości energii, którego składniki bardzo silnie ze sobą oddziaływają. Oczekiwano ‘gaz’ Znaleziono ‘ciecz’ Składniki nowego stanu materii?? Obiekty złożone, także kolorowe Czarna dziura??  teorie strun (supersymetryczne) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

42 Podsumowanie: PHOBOS Interesujące perspektywy ciekawych analiz
Znaczący wkład do odkrycia nowego stanu materii Szereg innych ciekawych wyników dotyczących mechanizmu produkcji cząstek Interesujące perspektywy ciekawych analiz danych doświadczalnych dla nowych współpracowników, studentów, doktorantów… 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

43 Badanie zderzeń ciężkich jonów
Przyszłość: Badanie zderzeń ciężkich jonów przy pomocy detektora 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

44 Od RHIC’a do LHC Super-gorąca QCD: Czy zobaczymy ‘gaz’ q-g??
sNN : 200 GeV ,500 GeV Super-gorąca QCD: Czy zobaczymy ‘gaz’ q-g?? Stan początkowy całkowicie nasycony (CGC-Kolorowy kondensat szklany) Dramatyczny wzrost procesów z dużym pT w porównaniu do RHIC’a Mnóstwo ciężkich kwarków (b,c) Możliwość badania słabo-oddziaływujących obiektów (Z0, W) LHC RHIC SPS 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

45 Procesy twardych rozproszeń
Twarde procesy – domena pomiarów przy akceleratorze RHIC dużo interesujących wyników Możliwość ilościowego porównania z teorią Nowe wyniki z ostatniego i kolejnych seansów akceleratora RHIC Ale naprawdę właściwe miejsce do badania twardych procesów to akcelerator LHC i eksperyment ATLAS!!! ATLAS rejestrowane jety w centralnych zd. Pb-Pb (1 miesiąc brania danych) Jet pT > 50 GeV milionów ! Jet pT > 100 GeV miliona Jet pT > 150 GeV ,000 Jet pT > 200 GeV ,000 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

46 Detektor ATLAS Kwiecień 2007 Stan we wrześniu 2005 13 kwietnia 2007
Barbara Wosiek

47 Zalety detektora ATLAS do badania zderzeń A+A
Kalorymetria Hermetyczne pokrycie do || < 4.9 Duża segmentacja (także podłużna) Procesy z dużymi pT Spektrometr mionowy o dużej akceptancji Pokrycie do || < 2.7 Miony z rozpadów , J/, Z0 Wewnętrzny detektor krzemowy Akceptancja do || < 2.5 Duża segmentacja komórkowych i paskowych detektorów Si Pomiary pędów cząstek o pT  1.0 GeV/c 2.+ 3. Produkcja ciężkich kwarków, tłumienie J/, 1.& 3. Ogólne charakterystyki przypadków 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

48 Pojedynczy przypadek zderzenia Pb+Pb z b<1fm w detektorze ATLAS.
ATLAS – Fizyka A+A Pojedynczy przypadek zderzenia Pb+Pb z b<1fm w detektorze ATLAS. Nch(dy=0.5) Około 70,000 stabilnych cząstek, ~ 40,000 cząstek w ||  3 CPU – 6 godz. na centralne zderzenie Pb+Pb (800MHz) 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

49 Globalne charakterystyki zderzeń Pb+Pb
Pomiary: Nch, dNch/d, ET, dET/d, b Histogram – true Nch Points – reconstructed Nch Nch(|| < 3) 10% <3% Single Pb+Pb event, b =0-1fm dNch/d|=0 3200 (HIJING, no quenching) dNch/d|=0 6000 (HIJING, with quenching) Reconstruction errors ~5% 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek

50 Badanie zderzeń ciężkich jonów przy pomocy detektora 2008  interesujące perspektywy dla młodych fizyków 13 kwietnia 2007 Barbara Wosiek