Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna...

62
Grazyna Odyniec Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowej Grazyna Odyniec / LBNL, Berkeley Plan : Plazma ? CERN SPS, RHIC, LHC, ... Wykres fazowy silnie oddzialywujacej materii jadrowej - #1 fizyki jadrowej Badanie struktury - eksperyment przejmuje prowadzenie ! BES @ RHIC, FAIR @GSI, LHC, …

Transcript of Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna...

Page 1: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec

Od odkrycia – do poznania

wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowej

Grazyna Odyniec / LBNL, Berkeley

Plan :

Plazma ? CERN SPS, RHIC, LHC, ...

Wykres fazowy silnie oddzialywujacej materii jadrowej - #1 fizyki jadrowej

Badanie struktury - eksperyment przejmuje prowadzenie !

BES @ RHIC, FAIR @GSI, LHC, …

Page 2: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 2

CERN in 2000 !

Page 3: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

RHIC discovery !

Page 4: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 4

DETOUR (1): Quantum Chromodynamics

1) Quantum Chromodynamics (QCD) is the established theory of strongly interacting matter.

2) Gluons hold quarks together to form hadrons:

3) Gluons and quarks, or partons, typically exist in a color singlet state: confinement.

baryonmeson

Page 5: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 5

DETOUR (2): Quark Gluon Plasma

- The confinement:

Quarks are the basic building blocks of matter.

No free quarks are seen, confined within hadron:

v0 ~ 1 fm3, 0 ~ 0.16 fm-3, 0 ~ 0.15 GeV/fm3

- Heavy ion collisions: Large, hot, and dense system

v ~ 1000 fm3 = 1000 v0

>> 3 fm-3 ~ 20 0 QGP(?) >> 3 GeV/fm3 ~ 20 0

Quarks and gluons are ‘freely’ moving in a large volume

New form of matter with partonic degrees of freedom

- Connection with other fields

cosmology, origin of the universe, evolution of the universe

quantum statistics with partons

Page 6: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 6

DETOUR (3): Confinement Potential

T < T conf

T > T conf

constant potential

r

V(r,T)The potential between quarks is a

function of distance. It also depends

on

the temperature.

1) At low temperature, the potential

increases linearly with the distance

between quarks

quarks are confined;

2) At high temperature, the

confinement potential is ‘melted’

quarks are ‘free’.

Note: It is not clear at all if there is a

critical ‘temperature’ in high energy

collisions

Page 7: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 7

DETOUR (4): Lattice QCD Predictions

Left: Large increase in energy density at TC ~ 170 MeV.

Not reach the non-interacting S.B. limit.

Right: Heavy quark potentials are melted at high temperature.

F. Karsch et al. Nucl. Phys. B524, 123(02). Z. Fodor et al, JHEP 0203:014(02).

C.R. Allton et al, Nucl. Rev. D66, 074507(02). F. Karsch, Nucl. Phys. A698, 199c(02).

Temperature

Energy densityHeavy quark potential

Page 8: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 8

Phases of Water

CP1st order phase

transition

cro

ss-o

ver

Page 9: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 9

QCD Phase Diagram

QCD: The phase diagram of

strongly interacting matter is under study

(relativistic particles)

Cross-over

1st order phase transition

CP

WATER: the phase diagram of water

is well established (non-relativistic

particles)

Page 10: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 10

Phases of strongly interacting matter (?)

SPS, RHIC, LHC: high temperature, low baryon density

AGS, GSI: moderate temperature, high baryon density

QGP

HG

Page 11: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 11

From Fermi’s notes on thermodynamics:

!

Page 12: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009

!

Page 13: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 13

hep-lat/0701002v1

Given the very significant theoretical difficulties,

data may lead the study of QCD phase diagram …

Lattice - green points !

mB<500

Theory

Page 14: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 14

• How do we do it ?

–High-energy nuclear collisions

–RHIC

Page 15: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 15

High-energy Nuclear Collisions

PCM & clust. hadronization

NFD

NFD & hadronic TM

PCM & hadronic TM

CYM & LGT

string & hadronic TM

S. B

ass

Initial

conditions Initial high Q2

interactions Partonic matter -

QGP

- The hot-QCD Hadronization and Freeze-out

tt=0

(1) Chemical freeze-out

(2) Thermal freeze-out

Page 16: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 16

RHICBRAHMSPHOBOS

PHENIXSTAR

AGS

TANDEMS

Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)Brookhaven National Laboratory (BNL), Upton, NY

v = 0.99995c = 186,000 miles/sec

Au + Au at 200 GeV

Animation M. Lisa

Page 17: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 17

Page 18: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 18

STARSTAR

RHIC experimentsPHENIX

Focus:

rare probes , e±, m

Partial coverage

High-granularity calorimetry

and tracking

Forward muon detectors

STAR

Focus:

global observables

Large volume TPC (2p)

+EM calorimetry (coarse)

Page 19: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 19

STAR Collaboration

Page 20: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 20

Peripheral Event

STAR

Au + Au Collisions at 130 GeV

(real-time Level 3)

Page 21: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 21STAR

Mid-Central Event

Au + Au Collisions at 130 GeV

(real-time Level 3)

Page 22: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 22

Au + Au Collisions at RHIC

STAR

Central Event

(real-time Level 3)

Page 23: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 23

(1) What did we learned ?

•Elliptic Flow

Probing hot and dense matter (QGP ?) with hard probes

Grazyna Odyniec

Lawrence Berkeley National Laboratory

Konwersatorium na Wydziale Fizyki Politechniki Warszwskiej, 24 maja 2007

Page 24: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 24

Azimuthal Anisotropy - Elliptic Flow

Reaction-plane: x-z plane

Origin: spatial anisotropy of the system when created and rescattering of evolving system

spatial anisotropy momentum anisotropy

Almond shape overlap region

in coordinate space

y2 x2

y2 x

2

2cos2 vx

y

p

patan

x space momentum

Page 25: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 25

Elliptic Flow

25

Large Elliptic Flow: A Signal of Strong Space-Momentum Correlations

Space Momentum

2cos2 vx

y

p

patan

y2 x2

y2 x

2

Page 26: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 26

“Perfect fluid” ?

Detailed analysis of v2 for different mass

shows good agreement with ideal (zero

viscosity, l=0) hydrodynamics

“perfect fluid” ?

Separation between baryon and meson

band

Note: ’s flow ! (also W’s) …as light h

flow developed in pre-hadronic stage

DECONFINEMENT !!!

(a lot of scatterings …thermalization ?)

Page 27: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 27

Partonic degrees of freedom

Scaling flow parameters by quark

content nq (baryons=3, mesons=2)

resolves meson-baryon separation

of final state hadrons

“liquid” of partons !

(1) v2 developed at pre-hadronic state –

indicates a lot of interactions between q

and g, some thermalization ?

(2) deconfinement

(3) Novel hadronization process at RHIC

Page 28: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 28

A short summary (I) :

• mT-Nq scaling

• Partonic collectivity

• Deconfinement

Hot and dense matter with partonic collectivity has been

formed at RHIC

Page 29: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 29

(2) What did we learned ?

•Jets

Page 30: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 30

Jets in heavy-ion collisions

• Partons lose energy due to induced gluon radiation (Bjorken, Gyulassy, X.N. Wang, …)– Energy loss is measure of gluon density

Probe energy loss via leading hadrons (2) and di-hadron correlations (2)

hadrons

hadrons leading

particle

suppressed

leading

particle

suppressed

q

q

hadrons

q

q

hadrons

leading

particle

qq

p+p Nuclear Medium

Quenched dijets

Page 31: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 31

Not easy !

p+p dijet How to find it here ?

Page 32: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 32

How to measure ?

1. RAA: Compare A+A and p+p collisions

Page 33: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 33

Jets are quenched, part I - RAA

ddpdT

ddpNdpR

T

NN

AA

T

AA

TAA/

/)(

2

2

Jets (color-

charged)

Photons (color-

neutral)

Page 34: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 34

Jets are quenched, part II - correlations

STAR, Phys Rev Lett 91, 072304

Hard recoil hadrons

cos()

STAR, Phys Rev Lett 95, 152301

All recoil hadrons

Page 35: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 35

A short summary (II) :

• Photons are not suppressed

good ! They do not interact with medium

• Hadrons are not suppressed in peripheral collisons

good ! Medium not dense

• Hadrons are suppressed in central collisions

huge: factor 5 !

• Azimuthal correlation shows ~ complete absence of :”away-side” jet

partner in hard scatter is absorbed in the dense medium

High pt suppression - Matter is opaque !

Page 36: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 36

Top discoveries at RHIC

• Strong elliptic flow

– collective flow of created matter

– partonic collectivity

– deconfinement

• Jet quenching

– Energy loss of high pt partons in hot and dense medium

– Medium response – ridge ?

• Production mechanism at medium pt via

recombination/coalescence (not via fragmentation)

• Strongly coupled QGP = sQGP

not wQGP – surprise , surprise !!!

Page 37: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3737

First point – 100 years ago !

In 1911, Rutherford discovered the nucleus,

making him the first nuclear physicist

100 years later, RHIC will scan for the next

landmark on the nuclear matter phase

diagram: the critical point

One Century of Nuclear Physics

Page 38: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 38

Summarizing the situation :

• Now:

sQGP produced in A+A at RHIC at top energies

(hot and dense matter with partonic dof)

• Problem:

we still don’t know much about sQGP !

• Future:

properties of sQGP– RHIC, LHC, …?

boundary between hadronic and partonic phases

(where is a phase transition ?) – RICH, Fear, …

CP

(wQGP

)

Page 39: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3939

Beam Energy Scan at RHIC:RHIC: Ideally Suited 5-50 GeV

Page 40: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 4040

PID matters: Phase Transitions

Rutherford's discovery of the nucleus in 1911 relied on state-of-the art technology

developed by Hans Geiger to count alpha particles. The state-of-the-art technology at the

heart of STAR's Time-of-Flight upgrade significantly increases the possibility that STAR will

locate that other landmark on the nuclear matter map: the critical point.

Page 41: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 41

Particle Identification at STAR

STAR TPC

STAR ToF

STAR EMC

STAR HFT

Neutral particles Strange Jets Heavy Quark

hyperons Hadrons

Multiple-fold correlations among the identified particles!

e, μ

π

K p d

TPC ToF TPC

Log10(p)

Page 42: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 42

√sNN (GeV) Rate

(Evts/sec)

10 hr days

for 1 M Evts

5.0 0.8 34

7.7 3 9

11.5 10 3

17.3 33 0.8

27 92 0.3

39 190 0.15

These energies are all logarithmically equally spaced (constant multiplicative factor of ~1.5)

between √sNN = 5.0 and 62.4 GeV, except for 39 GeV, which is shifted slightly from 41 GeV to

match existing pp data.

21

Run 10, fall 2009 – energies likely to be proposed by STAR

Page 43: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 43

Search for turn-off of major sQGP signatures already established at top RHIC energies (our least speculative objective).

Search for evidence of critical point.

Search for phase transition signatures of the type that appear and then disappear as the beam energy is scanned.

6

STAR run plan for BES – physics objectives

Page 44: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 44

STAR experience with Low Energy RHIC running2001: 19.6 GeV Au+Au

2004: 22.4 GeV Cu+Cu

2007: 9 GeV Au+Au

2008: 9 (5) GeV Au+Au !

E802 PRL81, 2650 (1998)E866 PLB476, 1 (2000)E917 PLB490, 53 (2000)NA44 PLB471, 6 (1999)WA98 PRC67, 104906 (2003)NA49 PRC66, 054902 (2002)NA49 EPJC33, S621 (2004)NA49 arXiv:0710.0118v2PHENIX PRC69, 034909 (2004)PHENIX PRL88, 242301 (2002)STAR PRL92, 112301 (2003)STAR PLB595, 143 (2004)

Preliminary

Preliminary

Sufficient data to extract ratios, flow

velocity, HBT radii, v2

Data fit into systematics

D. Cebra QM2008

Page 45: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 45

2008: low energy run with 9.2 GeV Au+Au

Injecting and colliding Au+Au√sNN = 9.2 GeV, a few hours -> 4K good events !

Short test @√sNN = 5 GeV allowed study of beam optics

Page 46: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 46

Vertex Z (cm)

Au+Al Au+Al

Au+Be

Au+Au and Au+Al collisions !V

ert

ex Y

Vertex X

Au+Au collisions

Au+Beampipe collisions

Investigated primary vertex location:They are “real”collisions.

R. Reed

Can see the change in beampipe material and thickness

Page 47: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 4724

Lambda

invariant mass

(SQM 2008)

9.2 GeV Au+Au, March 2008 – preliminary analysis

Page 48: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 48

• The unique RHIC energy scan program will map the QCD

diagram in sNN =5-50 GeV, (corresponding to mB ~ 600-150

MeV)

• STAR is tested and ready (DAQ, trigger, … all)

• First run – fall 2009

• Informal discussion between STAR and PHENIX

• Late-breaking news:likely $4.5M Economic Stimulus funding for RHIC electron cooling, with an order of

magnitude intensity increase down to √sNN ~ 5 GeV, coming online in 2012-13 (a

“shovel ready” project).

Page 49: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 49

What next (rather parallel) besides BES ?

vertical direction: T (mB~0)

QCD Phase Transition, CP,

BES/RHIC, FAIR/GSI, …

Har

d ph

ysic

s,

RH

IC II

,LH

C

Page 50: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec

LHC

ATLAS

CMS

ALICE

p+p collisions @ 14 TeV (2009 ?)

Pb+Pb collisions @ 5.5 TeV (2010+)

ALICE is the dedicated Heavy-Ion experiment (high-density tracking and PID)

CMS and ATLAS are likely to participate in HI runs as well

Page 51: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 51

LHC and ALICE !

Better environment for high-pt physics than RHIC

High-pt processes increase faster than soft background

Page 52: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 52

ALICE installation (already historical pictures !)

Installation of TPC

Installation of Silicon

Inner Tracker

Installation of Beam Pipe

Inner tracker

Page 53: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 53

ETjet>100 GeV ~ 106/year

Hard process rates at the LHCAnnual yields for Pb+Pb at LHC

Jet rates and kinematic reach

at LHC are huge

compared to RHIC

High statistics

measurements

over large kinematic range

for precision test of theory

Page 54: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 54

Jet reconstruction at LHC

Jet yields at high energies (>50 GeV) are large

enough for full jet reconstruction

En

erg

y (

GeV

)

Full jet reco removes fragmentation bias

Study jet quenching (modified

fragmentation) in more detail

Jets accessible over large energy range

(50-200 GeV from full jet reco)

Validate jet quenching mechanism And more:

– Heavy quark jets

– -jet correlations (calibrate kinematics)

– Suprises?

ELHC ≈ 40 GeV

need ET,Jet~200 GeV for E>>E

100 GeV jet in central Pb+Pb

Page 55: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 55

ALICE EMCal

Lead-scintillator sampling calorimeter

||<0.7, =110o

Shashlik geometry, APD photosensor

~13k towers (x~0.014x0.014)

US contribution to ALICE

Page 56: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 56

SummaryThe initial expectation at RHIC of an ideal gas plasma of non-

interacting quarks and gluons is a distant memory.

Instead, something much more interesting has been found:

The most perfect fluid known, with equilibrium and dynamical

properties that are calculable from basic theory, perhaps including

string theory.

In the next five years:

BES program at RHIC

RHIC and detector upgrades

Run the LHC HI program (wQGP?)

Page 57: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 57

THANKS !

Page 58: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 58

ETRA SLIDES

Page 59: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 59

Particle Identification in STAR

• TOF alone: (p,K) up to 1.6 GeV/c, p up to 3 GeV/c

• TOF+TPC(dE/dx, topology) up to 12 GeV (NIMA 558 (419) 2006)

log10(p)

log10(dE/dx)

TPC+TOF (completed in 2010)+EMC+Topology

Good quality PID over a broad range:

~ 0.2 – 12 GeV/c

Page 60: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 60

BES at RHIC - access to large range of mB and T

advantage of collider geometry !

At fixed target geometry:

detector acceptance changes with energy

track density at mid-y increases fast with energy

-> technical difficulties in tracking

-explore a broad region of the QCD phase

diagram

-look for the evidence of ordered transition

-study the evolution with beam energy of the unusual medium properties found at RHIC

-do any of the partonic properties change or “turn off” ?

-new surprises in unexplored region …

produces systems with lower freezout temperatures and higher baryon densities

Page 61: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 61

What should be measured during BES ?Mainly related to bulk properties

yields and particle ratios T vs mB,

particle spactra (pt, rapidity, …),

strangeness production (K/p, multistrange, …),

fluctuations and correlations of many varietes (K/p,<pt>, HBT,v2@CP,…)

flow (v1,v2,v4, …) with charged and identified particles,

signals of parity violation,

“lumpy”(“clumpy” ?) final state

prospect of data will “encourage” theorists to be more specific

Search for : - disappearance of partonic activities

- fluctuations, correlations

turn on and off signature of deconfinement

Page 62: Od odkrycia do poznania wlasnosci plazmy kwarkowo-gluonowejnauka/konw/prez_090312.pdf · Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 3

Grazyna Odyniec Konwersatorium, Politechnika Warszawska, Wydzial Fizyki, 12 marzec 2009 62

Colliders are a great choice for E-scanAcceptance

Acceptance for collider detectors is

totally independent of beam energy

• Occupancy for collider detectors is

much less dependent on beam

energy

• Less problems with track merging,

charge sharing hits etc..

π

K

STAR

Better control of systematics

NA49