Hadrony w materii jądrowej-nowe wyniki eksperymentalne

Motywacja: Generacja mas hadronów i rola symetrii chiralnej Promieniowanie z gorącej materii jądrowej

Mezony wektorowe (//): języczek uwagi Przegląd najnowszych wyników eksperymentalnych: Mezony w jądrze: E325@KEK, TAPS@ELSA, HADES@GSI Mezony w gorącej materii jądrowej: T=60-80 MeV: DLS@BEVELAC, HADES@GSI (1-2 AGeV) T=150-180 MeV: CERES@SPS, NA60@SPS (40-160 AGeV)

Podsumowanie

P. Salabura IFUJ

Generacja mas

Model standartowyQ

u

e

cc t

d

e

s

b

2/3

-1/3

0

-1

Kw

ar

ki

lep

ton

y

3 rodziny cząstek10-3

10-1

1

101

102

103

104

105

10-2

mq,l

[MeV]

e

e

d u

sc

b

t

leptony

kwarki

Generacja mas leptonów i kwarków przez mechanizm Higgsa

Masy „current" (mu/d~20 MeV)

Jaki jest mechanizm generacji mas hadronów?

Mproton>> 3mu/d (20 MeV) !

Model kwarków: masy "constituent" (Mu/d ~300 MeV)

Symetrie (globalne) oddziaływań silnych

Zachowanie liczby barionowej: U(1)V

Symeria chiralna SU(Nf)L/R : Oddziaływanie silne (Lagrangian) bezmasowych kwarków

(u,d) jest niezmiennicze względem 2 transformacji: Axialnej i Wektorowej

)(2

1)1(

2

1,/5 LRAVRLP

Vect.2' U

,

qeqqi j

jV

f.falowa kwarku w p. zapachu q=(u,d) , =(1, 2 , 3) macierze Izo(spinu) Pauliego

Axial.2' U

,5

qqeqj

jAi

22)()(

LLRR iPiP

VVAA eeUU

• Oddziaływanie silne zachowuje skrętność (chiralność)

• Zachowanie izospinu (UV) . Np: piony mają taką samą masę

• Degenarcja mas partnerów chiralnych (UA). Np: (1+), a1(1-)

v

1aA

Widma hadronów a Symteria Chiralna (Sch)

Parnterzy chiralni

0+0-

1- 1+

• Widma hadronów : dublety chiralne przykład dla mezonów z J=0 różne masy parnerów chiralnych !

Symetria chirlana jest złamana

przewidziane w 1992-94 dla układów cl(=u,d) przez M.Nowak, Rho, Zahed, Bardeen, Hill

i... Zmierzonew 2003 przez BELLE, CLEO, BARBAR

0- (1.86)

0+ (2.31)

1- (2.01)

1+ (2.42)

1+ (2.46)

Mezony cu

D0 0- (1.96)

0+ (2.32)

1+ (2.54)

1+ (2.46)

1- (2.11)

Mezony cs

Ds

0+

f0

Mezony lekkie

SB rozszczepienie

~400 MeV/c2

Spontaniczne łamanie SCh-kondensat kwarkowy

Czy można to zmierzyć ?

3/1

0

**

)(

qq

qq

m

m

m

m

Brown,Rho Phys.Lett. 66(1991)2720

Skalowanie Brown-Rho (B-R)

mh *= mh(1-*/0)

Klimt, Lutz,Weise Phys.Lett.B249 (1990) 386

B

• Kondensat w materii jądrowej

322 2 fmfmqqqq RLvac

• Natura wybiera stan jako stan podstawowy próżni stan charakteryzujący się

istnieniem kondensatu. SCh jest łamana spontanicznie – model Nambu-Goldstone:

1. bozony Goldstona (piony dla SU(2))

2. generacja masy (masa konstytuentna kwarków)

3. parametr złamania Sch:

Scenariusz hadronowy zmian masy

GeVm

mimM

77.0

)()(

PróżniaPróżnia::

W. Peters et.al. NPA 632(1998)109:

R. Rapp, J. Wambach

W materii jądrowej dodatkowe efektyW materii jądrowej dodatkowe efekty: :

+

N-1

N(1520)

+ ...

(1232)

N-1

DominujDominująca rola barionów ! ąca rola barionów !

2222 )]M(Im[)]M(RemM[

)M(Im2)M(A

Funkcja spektralna (1 przykład):

Relatywistyczne zderzenia ciężkich jonów: „Laboratorium” gęstej i gorącej materii jądrowej

Nuclear Matter

SIS

B

tem

pe r

atu

re

Quark Matter

Hadron Resonance Gas

DLS, HADES(GSI,BEVELAC)

CERES, NA60 (SPS)

T

TC~170 MeV

940 MeV 1200-1700 MeVbaryon chemical potential

thermal freeze out

chemical freeze out

DLS, HADES, KEK E235

PHENIX (RHIC)

Dense matterFreeze-outFirst chance

collisions

Toneev at al. ,nucl-th/0503088:

3-fluid hydrodynamics

Czasowa ewolucja zderzenia jonów

0 vacqq

0 vacqq

Promieniowanie gorącej materii jądrowej

Tiqx )(j)x(jexdi)q(Π 04

ememem

e+

e-

γ

)T(fMqd

dR Bee23

2

4 Im Πem(M,q)

Funkcja korelacyjna elektromagnetycznych prądów kwarkowych:

s ≥ sdual~(1.5GeV)2 : pQCD kontinuum

s < sdual : Zdominowana przez mezony wektorowe!

)s(Im em)(Im

2

,,

2

sAg

mV

V

V

s,d,u

Sqc

)s()e(N

s

1

122

W próżni Πem ~ (e+e-hadrony)

fB(T,E) – rozkład temperatury

qq

24

KK

Metoda eksperymentalna

Mezon Masa[MeV/c2]

Szerokość [MeV/c2]

Czas życiac [fm/c]

(Ve+e-)tot

0 770 150 1.3 4.4x10-5

782 8.4 23.4 7.1x10-5

1020 4.4 44.4 3.1x10-5

e+

Pomiar własnosci (m, ) -> f. spektralna mezonów wektorowych ,, w materii (reakcje pA, A, AA ) poprzez rozpady dileptonowe e+e- lub µ+ µ-

2sinppm ee

eeee

Niezaburzona informacja z wnętrza materii

małe prawd.(2) rozpadu w kanał dielektronowy

Duże tło hadronowe e-

c10-15 fm/c

• Rozpady dwóciałowe (linie):

• Rozpady trójciałowe (Dalitz) (continuum):

2AGeV Ca+Ca

3totee

109.4

4totee

109.50

2toteeγ

102.1ΓΓ 0

Me+e [GeV/c2}-

• CB – CB – Tło kombinatoryczne z rozpadów 0 Dalitz+ konwersja fotonów!

V → e+e-

V → e+e- X

Podsumowanie (cz.I)

I. Widma hadronów zbudowanych z lekkich kwarków odzwierciedlają złamanie symetrii chiralnej odpowiedzialnej za generację mas

Masa hadronów jest (jak?) wielkością zależną od własności materii (, T) i może ulec zmianie: scenariusz BR vs hadronowy (czy one naprawdę mówia o innym mechanizmie?)

II Emisja promieniowania elektromagtnetycznego z gorącej materii jądrowej (wirtualne fotony o q2<1 MeV/c2 ) odbywa się przez mezony // φ

Zmiana własności mezonów w materii (M*, *) może być sygnałem zmian własności materii (hadron gaz-QGP)

Wyniki eksperymentalne (I)

Mezony w jądrze

Mezony w jądrze

Generalna idea eksperymentu

P+p boundX e+e-X „dielektrony ”

P+pboundX 0 X 3 X „fotony”

e+

e-

208Pb

P =-, p,

detektor

P

• p (E=3-4 GeV), - (E=1-2 GeV)

30% rozpadów w jądrze, ~90% rozpadów w jądrze

• p (E=12 GeV)

~ 6% rozpadów w jądrze

~60% rozpadów w jądrze

0= 0.17/fm3

„tomografia” rozpadu w jądrze Pb

Mezony w jądrze (p+A)

Widmo opisane poprawnie zakładając zmianę masy m*=m

0(1-0.16/0) !

50-66% rozpada się wewnątrz jądra i tylko 5-9% !

Opis widma eksperymentalnego przez tło + rozpady „swobodnych” mezonów , , φ, η → nadwyżka par dla 0.6<M<0.75 GeV/c2

R. Muto, QM 2004; KEK – PS E325p+A @ 12 GeVp+A @ 12 GeV

Mezony w jądrze (+A)Nb Nb, E 1.2 GeV (CB/TAPS@ELSA)

Obliczenia teoretyczne opisują dane przy założeniu:

wynik jest zgodny z obserwacją z KEK dla mezonu !

m = m0 (1 - /0); przy = 0.16

Obliczenia teor: P. Mühlich et al., nucl-th/0310067

• Zaleta eksperymentu:

Duże prawdopod. rozpadu →0 (8%) dla →e+e- 10-5 !

• Wada:

0 oddziałuje z materią (λsw~1-2 fm!) – „rescattering”

Mezony w jądrze- ostateczny dowód na skalowanie B-R?

• eksperyment HADES@GSI (2006): p+Pb@4 GeV, -+Pb@1.3 GeVSelekcja w spoczynku wzgl. jądra poprzez kinematykę p<300

MeV/c !

E.Bratkovskaya et al..

Nucl-th/0101067(01)M.Effenberger et al.

Phys.Rev.C027601(01)

Przewidywania teoretyczne:

Wyniki eksperymentalne(II)

Wysokoenergetyczne zderzenia jądro-jądro

Dielektrony z DLS@BEVELAC @ 1AGeV

Data: R.J. Porter et al.: PRL 79(97)1229

Model: E.L. Bratkovskaya et al.: NP A634(98)168, BUU, vacuum spectral function

Dobry (w ramach statystyki!) opis produkcji par e+e- w reakcjach pp, pn Duża nadwyżka par ponad widmo oczekiwane z rozpadów swobodych mezonów wreakcjach C+C i Ca+Ca @ 1 AGeV! Nawet skalowanie B-R nie wyjaśnia nadwyżki!

HADES w GSI: koncept spektrometru

Dielektrony z HADES@GSI

Toroidalny spektrometr magnetyczny Akceptancja geometryczna par

35%Identyfikacja elektronów RICH: Ring Imaging CHerenkov, Zupełnie „ślepy” na hadrony TOF: ściana przelotu Pre-Shower: 18 komór

drutowych + konwertery z ołowiu – wkład IFUJ

Rekonstrukcja śladów MDC: 24 komory dryfowe z 100

µm przestrzenną zdolnością rozdzielczą

Identryfikacja elektronów w czasie rzeczywistym (100µs !) w systemie wyzwalania

100-krotny wzrost wydajności w stosunku do DLS !

Start w 2002

1 m

HADES@GSI

RICH +MDC IRICH

PreShower

Magnet

Identyfikacja elektronów : HADESzdarzenia wyzwolone triggerem w 2'rzędu

(LVL2): 1.2 % zdarzeń LVL1!LVL2: koincydencja "elektronów" w RICH i

META. Wydajność na pary>86%

offline :+ pełna rekonstrukcja śladów

linear z axis !

log. z axis !

yie

ld [

arb

. u

nit

s]

warunek na

C+C @ 2 AGeV HADES

• (σm(ω) = 10%).• blędy systematyczne +50%/-40%

within acceptance

• Widmo eksperymentalne poprawione na:

• wydajności detektorów• wydajności rekonstrukcji

• Normalizacja do +/- mierzonych w w tym samym eksperymencie

•Porównanie do przewidywań teorii tylko w obrębie akceptancji geometrycznej!

Przewidywania oparte na znanych przekrojach czynnych ( ) i skalowaniu mt ()

PRELIMINARY

• Pomiar w 2002 w konfiguracji bez MDCIII/IV

C+C @ 2 AGeV HADES- porównanie z HSD

Porównanie z obliczeniami teoretycznymi : HSD v2.5 of May ´05, E. Bratkovskaya et al.

e+e->9o, pt > 100 MeV/c

Widmo masy niezmienniczej

Widmo pędu poprzecznego

HADES: Weryfikacja rekonstrukcji dilektronów : pp @ 2.2 AGeV (2004)

pełen zestaw komór w 4 sektorach (4MDC)

3 sektory z (3MDC)Setup

wiązka protonów 107 p/

TARGET: LH2(5cm length - 21023 protons/cm2)

• Cel: eksluzywna rekonstrukcja mezonu oraz pierwszy test rekonstrukcji z wysoką zdonością rozdzielczą

pp → pp → pp+ - 0 (hadrony)

pp → pp → ppe+e- (dielektrony)

0 pp→pp0 pp→pp0→ppe+e-

BR: 1.2*10-2

pp→pp→pp+-0

pp→pp→ppe+e-

BR: 6 * 10-3

Ekskluzywna rekonstrukcja

pp→pp→pp+-0

Missing Mass of protons [MeV/c2]

Missing Mass of protons [MeV/c2]

• pp→pp→ppe+e-

0

kanał hadronowyKanał elektromagnetyczny

• pp→pp0→ppe+e-

=2.4%

=2.6%

R = hadr/electr

15.31.3 (SIM)

19.8 2.1 (EXP)

dobra zgodność !

Dielektrony z SPS(I): CERES(2000)Detekor CERES:RICH + TPC

radial drift TPC: momentum and energy loss

p/p=2%1%*p/GeV

m/m = 3.8 % for

(dE/dx)/(dE/dx) = 10%

• 200 naładowanych cząstek w akcpetancji/zderzenie !

• rozróżnianie elektronów od hadronów RICH + TPC (pionów, 5x wiecej niż nukleonów!) na poziomie 4*104 !

RICH's: electron identification

Dielektrony z CERES(I)D. Miskowiec QM2005

Nadwyżka par nad widmo oczekiwane z

rozpadu „swobodnych” hadronów:

mee > 0.2 GeV:

2.430.21 (stat)

Błąd systematyczny: 21%

centralność

Zależność od centralności zderzenia

Dielektrony z CERES(II): zależność od Ebeam

Scenariusz BR opisuje dane gorzej (2/n = 2.4)!

Nadwyżka przy niższej energii (40 AGeV) jest większa

J.P.Wessels et al., Nucl. Phys. A 715 (2003) 262

scenariusz „hadronowy” scenriusz B.R

Eksperyment Na60 @SPS (+-)2.5 T dipole magnet

hadron absorber

• Vertex mionów może być dokładnie określony• Poprawa zdolności rozdzielczej dla M+-<1 GeV!

Matching in coordinate

and momentum space

targets

beam tracker

vertex trackermuon trigger and tracking

magnetic field

czy

!

Dimiony z Na60@SPS(I): rekonstrukcja mezonów

Doskonały opis widma dla

zderzeń peryferyjnych w oparciu o

zmierzone krotności //η/φ w

reakcjach pp, pBe

Określenie wkładu

pochodzącego od mezonu (funkcji spektralnej mezonu w

materii jądrowej) poprzez

odjęcie wkładów od pozostałych

mezonów w fukcji centralności

Nadwyżka od

„niezmodyfikowango” mezonu

rośnie z centralnością

zderzenia (zgodnie z

obserwacjami CERES)

Wzrost natężenia- nowe

kanały otwarte w materii: +-- -

>

S.Demjanovic QM2005

Di-miony z Na60 @SPS(II): scenariusz BR vs hadronowy

Sceriusz „hadronowy”Scenriusz B.R

Kształt niezaburzony (Breit-Wigner)

Zderzenia centralne

pierwszy pomiar funkcji spektralnej mezonu w materii jądrowej wydaje się wykluczać scenariusz B.R (obniżenie masy)!

Dane o doskonałej jakości czekają na pełen opis teoretyczny!!

S.Demjanovic QM2005

Podsumowanie (cz. II)

Pomiary funkcji spektralnej mezonów / (także φ-KEK325) w materii jadrowej wskazują na modyfikację masy zgodną ze scenariuszem BR

Nowe pomiary przy niższej energii wiązki (p()+Pb HADES@GSI) powinny być bardziej czułe i dostraczyć komplementarnej informacji

Zderzenia ciężkich jonów 1-2AGeV (HADES+DLS) wskazuję na nadwyżkę par, jednak ostateczne konkluzja dopiero po przprowadzeniu serii eksperymentów:pp,dp,A+A,1-2 AGeV (HADES2005-2008):

C+C @2004, Ar+KCl @1.8 AGeV (2005), p+p @ 3.5 GeV (2006)p()+Pb (2007), dp/pp @1.2 GeV (2007)

URHIC (CERES+NA60) wskazują na duże modyfikacje szerokości mezonu (scenariusz hadronowy preferowany!)

Nowa generacja precyzyjnych pomiarów definiuje nową jakość danych- wyzwanie dla teorii!

Promieniowanie gorącej materii jądrowej

•Im Πem – funkcja spektralna mezonu

Im Πem rozkład Breita Wignera dla

rozpadu w próżni

• czynnik 1/M3 dla rozpadu w kanał dileketronowy• fB(M,T) – rozkład dostępnej energii (masy) dla danej temperatury

fB(M,T) ~exp(-M/T)Duże znaczenie dla niskich energii

Widmo masy niezmienniczej

→e+e- z reakcji C+C @ 2AGeV

SIS (BEVALAC) energy regime: 1-2 AGeV Final state in heavy ion collisions;

up to 200 charged particles (Au+Au) approximately 10 % pions, baryon dominated Production of vector mesons below

threshold co-operative process :NN N, N NN

N N*() N production confined to high density phase One vector meson decaying into

lepton pair per 10 Million reactions ! Enhancement of baryon density

(3 > > 2) = 15 fm/c..

Comparable to \ life times : V=1.3\23 fm/c

Near threshold dynamics - off-shell effects! complementary pN and N programme !

S. Bass et al.IQMD

15 fm/c

C.Fuchs Phys.ReV.C67

025202(2003)