Fazy QCD: poszukiwania nowych form materii jądrowej

Quark Gluon Plasma(równanie stanu)

• Gas bezmasowych cząstek w temperaturze T : Równanie Stanu Stefana-Boltzmana (P –ciśnienie, - gęstość energii):

~(13 T4)

g - ilość stopni swobody cząstek w T

dla porównania gaz pionów = 2/30 *3*T4 ~T4

QGP ma znacznie większą gęstość energii

PSB = 1/3 SB = 42

90gT

7/8 – redukcja przestrzeni fazowej fermionów względem bozonów

(u,d,s)

Quark Gluon Plasma(przewidywania)

przejście fazowe pomiędzy gazem hadronowym a QGP

"lattice QCD„ Tc ~170 MeV

~1GeV/fm3

1/GeV=0.197fm

GeV4 13*(0.17)4 / (0.197)3 =

~1GeV/fm3 to też

energia „zamrożona”

hadronie-> n/p

nukleonie i potrzebna

do zerwania wiązań

kolorowych

Znikanie uwięzienia

„melting” potentials (lattice QCD)

Gęstość energii w zderzeniuSzacunkowe liczby: formuła Bjoerken’a

• Czas 0:

– form=ħ/<mT>(form)

≤ ħ/<mT>final = 0.35 fm/c– therm ≤ 1 fm/c !!!!

• Konserwatywne oszacowanie gęstości energii w punkcie zderzenia i thermalizacji (form) > 15 GeV/fm3 (therm) > 5.4 GeV/fm3

dla Au+Au przy 200 GeV

Te wartośći energii> 1 GeV/fm3 otrzymanej z obliczeń na siatkach

QCD jako energii potrzebnej na przejscie fazowe do plazmy

QGP !!

dy

dE

AT

BJ

)(1)( 0

00

mierzone

QuarkGluonPlasma, obserwable ?

• pierwsze sugestie : wzrost krotności produkcji dziwności w stosunku do pp• redukcja produkcji J/ w A+A

s1 10 100

Produkcja dziwności na SPS

• Zwiększenie dziwności w stosunku do zderzeń pp

• Poprawny opis przez rozkład makro-kanoniczny- jaki jest mechanizm termalizacji (QGP?)

RHIC

• produkcja pęków („jet”)• pomiary pływu materii jądrowej („flow”)

RHIC’s Experiments

• 3.83 km obwód• 2 niezależne ringi• Zderzenia

– AuAu, pp, dAu, CuCu• Center-of-Mass Energy:

500 GeV dla p-p; 200 GeV/nucleon dl Au-Au • Luminosity Au-Au: 2 x 1026 cm-2 s-1; p-p : 2 x 1032 cm-2 s-1

STAR

Program BES na RHIC

Pływ (flow) materii jądrowej

K+

p

reaction plane

top view

semi centralcollisions 1 duże

directed)

2 duże („elliptic” flow

„Directed” & „Eliptic” flowz – oś wiązki

Eliptic Flow

direct flow

dN/d1 + 2v1cos + 2v2 cos2

P. Danielewicz, R. Lacey, W.G. Lynch, Science 298 (2002) 1592

Przykład : pływ protonów z reakcji A+A

energia w układzie NN

Anizotropia emissji cząstek „eliptic” flow

• bardzo duże 2 – materia jest „nieprzejrzysta”- przypomina ciecz a nie gaz!•hierarchia mass: lekkie cząstki „płyną szybciej niż „ciężkie”

• skalowanie przez liczbę partonów (nq) (nie masę cząstek!) daje spójny obraz ?! rekombinacja partonów?

• pływ buduje się we wczesnej fazie na skutek oddziaływań między partonowych - partony są jego „swiadkami”

Skalowanie NCQ: bariony vs mezony

pęd/ ilość kwarków w cząstce

mezony

barionybarion mezon

mezon (2 kwarki) ma średnio mniejszy wypadkowy pęd niż barion (3 kwarki)w danym kierunku

kierunekobserwacji

skalowanie z liczbą kwarków !

Znikanie „rozszczepienia 2 mezon-baryon” w funkcji energii wiązki ”

eksperyment STAR

"Jety"

Jety w zderzeniu ciezkich jonow Au+Au?

STAR Au+Au (jet?) eventJet w reakcji ee

Produkcja jetów w e+e-

)(Im2

,,

2

sAg

mV

V

V

sdu

Sqc

seN

,,

2 )(1)(

R= (e+e- hadrons)/ (e+e-+-)

R =

s ≥ sthres~(1.5GeV)2 : pQCD continuum

s < sthresh : Av(s) funkcje spektralnemezonów wektorowych

u = 2/3ed= -1/3es= -1/3ec = 2/3eb = -1/3et = 2/3 e

Produkcja jetów w e-p

fq (x)

Dhq (x)

hadron

e-

p

)()()( 2 xDxfeN

dx

hXepd hq

qqqc

fq (x) funkcje struktury protonu – prawd. rozkładu kwarku q w funkcji części pędu x protonu

Dhq (x) - funkcje fragmentacji kwarku q w hadron h (np. pion)

Jet: pęk hadronów produkowany w wysokoenergetycznych zderzeniach proton-proton lub e+e- . Hadrony pochodzą z fragmentacji kwarków lub gluonów z dużym pędem transwersalnym

Redukcja jetów w QGPStrata energii partonu poruszającego się w materii wypełnionej ładunkami kolorowymiobserwacja: tłumienie pojedynczych cząstek (hadronów) lub całych pęków (jetów)

Czynnik RAA

ddpdT

ddpNdpR

TNN

AA

TAA

TAA /

/)(

2

2

<Nbinary>/inelp+p

nucleon-nucleon cross section

1. Porównanie przekrojów czynnych Au+Au do N-N 2. Porównanie Au+Au centralne/perryferyjne

Nuclear Modification Factor:

Nie ma “efektu” gdy:• RAA < 1 dla małych pT (oddziaływanie początkowe z pociskiem i tarczą)• RAA = 1 dl dużych-pT, gdzie dominuje "twarde" zderzenia

Efekt redukcji gdy: RAA < 1dla dużych –pT !

AA

AA

AA

pp

AuAubinaryAuAuAA Yield

NYieldR

/

Au-Au s = 200 GeV: redukcja dla >pT !PRL91, 072301(2003)

"Redukcja jetów"

• Zderzenia małego z dużym jądrem są czułe na efektu "zimnego jądra"

• Porównanie d+A i AA daje informacje efektach stanu końcowego i

początkowego

Nucleus- nucleuscollision

Proton/deuteron nucleuscollision

Medium No Medium!

Czynnik RAA dla mezonów

Tłuminie produkcji mezonów o dużym pT w centralnych reakcjach A+A :

„opposite-side” jets

• obserwacja skorelowej emisji hadronów w zderzeniach Au+Au-> Jety !

STAR PRL 90, 082302 (2003)

Central Au + Au

Peripheral Au + Au

22 2 2( ) ( ) (1 cos(2 ))D Au Au D p p B v

near side

away side

peripheral central

d + Aucontrol

Znikanie ewidencji "jetów" w RHIC(brak korelacji)

• W zderzeniach Au+Au, pęki ("jety") są silnie tłumione

• nieobserwowane w zderzeniach d+Au !

• Supresja jest efektem stanu końcowego

• Dyspacja energii partonów w czasie propagacji w "kolorowym" medium

LHC: 2010-2018

podana zcałkowana świetlność L INt (zależna od intensywności wiązki i czasu eksperymentu)

Przy jej pomocy można obliczyćilość zliczeń z procesu o znanym przekroju czynnym

N = LINT

ALICE

Detektor CMS

HCAL – kalorymetr hadronowyECAL – kalorymetr elektromagnetycznyTracker (inner detector)- detektor śladowy

pseduorapidity -ln (tan (/2))

ECAL

Rekonstrukcja cząstek w CMS

Miony

fotony

CMS di-muons

ATLAS

Akceptancja geometryczna

Produkcja cząstek na LHC

Wielkość i czas życia źródła emisji cząstek

Ciecz idealna..

Prównanie wartości pływu z obluczeniami hydrodynamicznymi Ciecz prawie idealna jest scharakteryzowana przez wsp. Lepkości () od entropii (s)

LHC RHIC

Łamanie skalowania nq dla v2

inaczej niż dla RHIC!!

Jets/Hard probes

nuclear matter

Brak atenuacji „bezbarwnych” cząstek

CMS

Atenuacja produkcji naładowanych hadronów

Jets-CMS •sygnał di-mionowy w połączeniu z kalorymetrem

• duża asymetria w energii jetów- różne drogi w materii jądrowej

• jet z mniejszą energią stowarzyszony z emisją cząstek poza głównym stożkiem

Zależność straty energii jetów od masy kwarków

Po raz pierwszy możliwość separacji jetów zawierających ciężkie kwarki b: b-tagging

Tłumienie jetów

Zmiana charakteryski tłumienia

Tlumienie Jetów na RHIC Tlumienie jetów na LHC

„Termometr” z kwarkonium

• Stany radiacyjne (bb)

(1S) 9460 MeV

(2S) 10023 MeV

(2S) 10352 MeV

bardzo małe szerokości rozpadu!

~20-50 keV !

Sekwencyjna supresja stanów CMS

Znikanie wyższychwzbudzeń radiacyjnych

Hierarchia znikania stanów

Korelacja pomiędzy stopniem atenuacji stanów a ich energią wiązania