Program I) Ogólny opis produkcji cząstek:

Prezentacja na temat: "Program I) Ogólny opis produkcji cząstek:"— Zapis prezentacji:

1 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

2 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

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

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

5 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

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

7 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

8 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.

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

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

11 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

12 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

13 Pozostalość po wybuchu-poświata…
promieniowanie ciała doskonale czarnego o T=2.725 K Satelita WMAP odstępstwa od T= w skali K ! 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 lat i T=3000 K ! Wilson, Penzias’ Nagroda Nobla

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

15 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:

16 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

17 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 = ± 0.8, pierwsze minimum – dla l = ± 3.5. Dla wiekszych l pokazują się dalsze maksima akustyczne odpowiadające dwukrotnej, trzykrotnej, itd. kompresji. maksima akustyczne

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

19 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 The contents point to a ``flat" Euclidean flat geometry, with the ratio of the energy density in curvature to the critical density < Ωk < (95%CL). The WMAP measurements also support the cosmic inflation paradigm in several ways, including the flatness measurement.

20 Problemy tWW

21 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

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

23 Przebieg reakcji (ultra-relatywistycznej)
Materia jądrowa: r0 = /fm3 e0 = 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

24 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"

25 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

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

27 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)

28 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

29 Pomiar temperatury materii poprzez pomiar widm emitowanych cząstek
T = 100 MeV T = 1012 K Widmo pionów 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

30 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"

31 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”

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

33 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

34 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 4.5 200 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

35 GSI-Darmstadt

36 Storage and Cooler Rings
GSI-FAIR (od 2018) SIS 18 U GeV/u ions/s Ni GeV/u protons 4.5 GeV x1013/s 18Tm (1.8 T magnets) SIS 100 U GeV/u ions/s protons 30 GeV x1013/s 2T (4T/s) magnets SIS 300 U GeV/u 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 GeV HADES p = Z/A*0.3*B*R [T, GeV/c]

37 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 : 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

38 Relativistic Heavy Ion Collider
BRAHMS PHOBOS RHIC PHENIX STAR

39 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

40 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

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

42 Oddziaływanie cząstek z materią
IONIZATION

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

44 Detektory Cerenkova

45 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

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

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

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

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

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