Dżety w zderzeniach ołów-ołów przy energii LHC:czy obserwujemy ich modyfikacje?

BożenaBożena Boimska Boimska

Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW 18 .05. 2012

2

Wstęp 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

Plan

3

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 s)

Eksperymentalnie QGP badana w zderzeniach ciężkich jonów przy bardzo wysokich energiach

Obliczenia teoretyczne (QCD) przewidują przejście do QGP gdy: gęstość energii> c~1 GeV/fm3 lub temperatura> Tc~175 MeV

4

„Mały Wybuch” w laboratorium

Final state particles

Hard probes

5

ALICE - dedykowany badaniom HI

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

6

Zderzenia Pb20882+-Pb208

82+ przy LHC

TeVTeVTeV

A

ZTeV

A

EbeamNNs 76.2

208

574

208

2872

5.322

Parametr zderzenia Nominalnie

w 2010r. w 2011r.

Energia sNN [TeV] 5.52 2.76 2.76

Świetlność L [cm-

2s-1]~1027 do 2.5*1025 do ~4.5*1026

W 2010 i 2011 roku po ok. 1 miesiącu zbierania danych

Scałkowana świetlność dostarczona przez akcelerator LHC w 2011: L2011

~16xL2010

7

Scałkowana świetlność dla PbPb

M. Ferro-Luzzi 2012 Chamonix workshop

8

„Mały Wybuch” w laboratorium

Centralne zderzenie PbPb przy sNN=2.76 TeV

9

Plany na 2012r. (listopad)

Oczekiwana scałkowana świetlność 6pb-1 dla każdej z energii

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)

10

Pierwsze wyniki (seminaria FWE)

Adam Kisiel (PW), 14.01.2011:

BB, 20.05.2011:

Charakterystyki globalne i korelacje Krotność cząstek Pływ eliptyczny Korelacje dwu-cząstkowe

„Twarde” sygnały Produkcja J/Ψ Produkcja Z0

Tłumienie dżetów

Femtoskopia (korelacje HBT)

11

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

12

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

Publikacje LHC dla PbPb@sNN=2.76TeV

13

Centralność zderzenia

Mniejszy parametr zderzenia b Większy obszar przekrywania się jąder

Więcej nukleonów uczestników Npart i większa liczba zderzeń Ncoll

„obserwatorzy ”

obszar „uczestników” „obserwatorzy”

b

b, Npart , Ncoll nie są mierzone bezpośrednio.

Wyznaczane są na podstawie innych wielkości mierzonych w eksperymencie (np. krotność cząstek, ET) + model

(0-5)%

(60-100)%

14

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

15

Czynnik modyfikacji jądrowej - RAA

RAA =(produkcja w A+A)

NCOLL(AA) (produkcja w p+p) |twarde oddziaływania

wzmocnienie produkcji

skalowanie z Ncoll

brak efektów jądrowych

Wpływ efektów jądrowych:

RAA = 1

RAA > 1

RAA < 1tłumienie produkcji

16

RdAu>1 wzmocnienie

STARSTAR

h±

Czynnik modyfikacji jądrowej przy RHIC

RAuAu<1 tłumienie

”Jet quenching” obserwowany w centralnych zderzeniach AuAu jako tłumienie produkcji cząstek z dużym pT (wytworzona gęsta materia partonowa)

17

Korelacje azymutalne przy RHIC

Pedestal&flow subtracted

near-side

away-side Δ

Trigger

Associated

away-side

near-side

p+p jet event

4< pT(trig) < 6 GeV/c

2 <pT(assoc)<pT(trig)GeV/c

Zderzenia pp i dAu podobne

Dla centralnych AuAu ginie dżet ”away”

18

Korelacje azymutalne przy RHIC

Leadinghadrons

Medium

away

near

Widoczny bo powstaje blisko „brzegu”

Pedestal&flow subtracted

near-side

away-side

Ginie bo jest tłumiony w gęstym ośrodku – ”jet quenching”

19

Czynnik modyfikacji jądrowej przy LHC

Pierwszy pomiar RAA: ALICE, PLB 696, 30(2011) mała statystyka

CMS, EPJC 72, 1945(2012)

Dla cząstek naładowanych

(dane 2010 i 2011)

PbPbPbPb

PbPb PbPb

Z centralnością zderzenia RAA maleje

Pomiar aż do pT ~100 GeV/c

20

Ograniczenie na modele opisujące straty energii partonów

Możliwość wyznaczenia własności wytworzonego ośrodka partonowego (np.: dNg/dy)

produkcja hadronów tłumiona ~6x przy pT~7GeV/c

dla wyższych pT powolny wzrost i plateau RAA~0.5 w zakresie pT~40-100GeV/c

RAA przy SPS, RHIC i LHCEPJC 72, 1945(2012)central collisions

Dla energii LHC:

21

Dżety przy LHC Energia LHC ~14 x RHIC

jet>100GeV (LHC) > 105 • jet>100GeV (RHIC)

Dla LHC duży przekrój czynny na produkcję dżetów:

Możliwa rekonstrukcja dżetów

Mierzymy dżety (a nie tylko cząstki z dużymi pędami poprzecznymi)

2.76 TeV

b

22

Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach PbPbTrudna bo duże tło od tzw. “soft underlying event”

Trzeba stosować specjalne procedury odejmowania tła (przypadek po przypadku)

dNcharged/dη ~1600

(dla 5% najbardziej centralnych zderzeń)

23

22 R

Tradycyjna metoda: rekonstrukcja oparta na informacji z kalorymetrów, w których nastąpił depozyt energii cząstek należących do dżetu

Szukany stożek o promieniu

Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach PbPb

Cząstki naładowane o małym pT poza stożkiem

Metoda „Particle Flow”:

HCALClusters

ECALClusters

Tracks

Clusters and Tracks Particles

particle-flow

Do zrekonstruowania dżetu używana informacja z kalorymetrów i układu śladowego

24

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”?

25

Korelacja w kącie azymutalnym

21 jetjet

‘leading’ ‘subleading’

•Dane PbPb

- Dane odniesienia

Central

PeripheralPbPb PbPb

PbPbPbPb

pp

Dla wszystkich centralności dżety są zasadniczo ‘back-to-back’ () Przejście partonów o dużym pT przez ośrodek nie powoduje silnej dekorelacji kątowej

Dalsza analiza dla dżetów ‘back-to-back’, >2/3 (rad)

CMS, PRC 84, 024906(2011)

26

Asymetria

Niezbalansowanie pędowe dżetów wyznaczane przy pomocy stosunku:

2,1,

2,1,

TT

TTJ pp

ppA

Cięcia na pT dżetów wprowadzają ograniczenia na wartości AJ

np.: pT,1=120 GeV/c & pT,2>50 GeV/c AJ<0.41

27

Niezbalansowanie pędowe

Dane odniesienia nie odtwarzają wyników dla PbPb

Niezbalansowanie dżetów rośnie z centralnością zderzenia

Central

PeripheralPbPb PbPb

PbPbPbPb

pp

CMS, PRC 84, 024906(2011)

•Dane PbPb

- Dane odniesienia

28

Pierwszy pomiar niezbalansowania dżetów:

ATLAS, PRL 105, 252303(2010)

…ale dla małej statystyki

Dla CMS statystyka większa; możliwa analiza bardziej różniczkowa

29

Zależność od pT dżetu

CMS, arXiv:1202.5022

PbPb PbPb PbPbPbPb

□ 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

30

Gdzie jest brakujący pT tłumionego dżetu?

Metoda brakującego pT||:

Użyta informacja o śladach cząstek naładowanych

Obliczamy projekcję pT zrekonstruowanych śladów cząstek naładowanych na oś wiodącego dżetu

1) Wyznaczenie kierunku wiodącego dżetu

31

Gdzie jest brakujący pT tłumionego dżetu?

Metoda brakującego pT||:

Użyta informacja o śladach cząstek naładowanych

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

32

Metoda brakującego pT||

3) Uśrednienie po wszystkich przypadkach by otrzymać średnie brakujące <pT

||>

Badanie zależności <pT||> od asymetrii AJ:

(+)

(-)

AJ

transverse

plane(–)

(+)

jet axis

33

Brakujący pT|| vs. AJ

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

CMS, PRC 84, 024906(2011)

34

Brakujący pT|| vs. AJ

CMS, PRC 84, 024906(2011)

Wkłady od różnych wartości pT:

Low pT excess away from leading

jet

High pT excess towards leading jet

balanceddijets

unbalanceddijets

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

35

Brakujący pT|| vs. AJ

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

36

Pomiar funkcji fragmentacji:

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

ułamek pędu partonu niesiony przez hadron:

z=pHadron/pParton

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”)

Funkcje Fragmentacji dżetów

37

FF partonów (ilustracja)

w zmiennej = ln(1/z):

cząstki niosące duży ułamek pędu partonu

z=pHadron/pParton

w zmiennej z:

cząstki niosące mały ułamek pędu partonu

38

Wpływ cięcia na minimalny pT cząstek:

Ogranicza dostępne wartości ξ

Silny spadek FF

Spadek FF silniejszy dla partonów z mniejszym pT

)ln()/1ln(Hadron

Parton

p

pz )ln(

||Track

Jet

p

p

Mierzone w eksperymenci

e

pTrack|| - składowa pędu cząstki wzdłuż osi dżetu

FF partonów (ilustracja)

39

FF dla zderzeń PbPb

= ln(1/z) = ln(1/z)

CMS HIN-11-004

40

Fragmentacja dżetów ”leading” i ”subleading” dla PbPb jak dżetów dla pp Brak zależności od centralności zderzenia

l

= ln(1/z) = ln(1/z)

FF dla zderzeń PbPbCMS HIN-11-004

41

symmetric dijets

asymmetric dijets0-30% central PbPb

= ln(1/z)

FF vs. AJ Różne AJ różne wartości energii tracone w ośrodku przez parton fragmentujący w dżet ” subleading”

CMS HIN-11-004

42

Fragmentacja nie zależy od energii traconej przez parton

Zgodna z fragmentacją w próżni

CMS HIN-11-004

FF vs. AJ

0-30% central PbPbsymmetric

dijetsasymmetric

dijets

= ln(1/z)

Różne AJ różne wartości energii tracone w ośrodku przez parton fragmentujący w dżet ” subleading”

43

Subleading Jet

Leading Jet Photon

Jet

kAnaliza 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

Pierwsza analiza przypadków -jet: CMS, arXiv:1205.0206

Eksperymentalnie badane tzw. fotony izolowane (odrzucane tło, m.in. z rozpadów 0, )

-jet event

44

Korelacja w kącie azymutalnym

Zgodność danych PbPb z MC (dane odniesienia)

Dla wszystkich centralności zderzenia foton i dżet są ‘back-to-back’ (J)

•Dane PbPb

- Dane odniesienia

PbPbPbPbPbPb PbPb

CMS, arXiv:12050206

45

xJ = pTJet/pT

vs. Centralność

Niezbalansowanie pędowe

PbPbPbPbPbPb PbPb

CMS, arXiv:12050206

<xJ>:

Różnica pomiędzy danymi odniesienia a PbPb – wartości dla PbPb są mniejsze

Przy przejściu przez ośrodek parton traci energię

46

RJγ – ułamek fotonów stowarzyszonych z dżetami powyżej progu

PbPb PbPb PbPbPbPb

RJ vs. Centralność

RJ:

Maleje z centralnością zderzenia (pT dżetu przesuwa się poniżej progu – dżet jest tracony)CMS, arXiv:12050206

47

Podsumowanie (I):Czynnik modyfikacji jądrowej przy LHC

CMS, EPJC 72, 1945(2012)

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

ALICE, PLB 696, 30(2011)

48

Podsumowanie (II): Przypadki dwu-dżetowe

1. Ośrodek nie powoduje dekorelacji kątowej partonów ()

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, PRC 84, 024906(2011)

CMS, arXiv:1202.5022

CMS, HIN-11-004

49

Podsumowanie (III): Przypadki foton-dżet

|ΔJ|

Jet

CMS, arXiv:1205.0206

Bezpośredni pomiar: strata energii dżetu vs. początkowa energia partonu

1. Ośrodek nie powoduje dekorelacji kątowej fotonu i dżetu (J)

2. Z centralnością zderzenia, przesunięcie dżetu stowarzyszonego z fotonem w kierunku mniejszych pT (xJ, RJ)

50

Dziękuję za uwagę!