ÚJ EREDMÉNYEK A PROTON SZERKEZETÉRŐL Magyarok a CERN LHC TOTEM kísérletében

Átírás

1 ÚJ EREDMÉNYEK A PROTON SZERKEZETÉRŐL Magyarok a CERN LHC TOTEM kísérletében Csörgő Tamás 1,2, Csanád Máté 3 a magyar TOTEM csoport nevében 1 MTA Wigner FK, Budapest 2 EKE KRC, Gyöngyös 3 ELTE, Budapest CERN25 Magyarok a nagyenergiás fizika élvonalában Magyarország 25 éve a CERN tagállama

2 2 A CERN LHC 7 KÍSÉRLETE (2018)

3 DIFFRAKCIÓ ÉS FEMTOSZKÓPIA Rugalmas p+a p+a ütközések eloszlásai Glauber és Matthiae, NPB21 (1970) Az atommagok nukleon (p+n) eloszlása ~ az atommagok elektromos (p) töltéseloszlása (Hofstadter, Nobel-díj, 1961)

4 TOTEM, CERN 4 4

5 TOTEM-Hu 2007-es jóváhagyott programja 2007: Csatlakozás Hardver felelősség: TOTEM DAQ+DCS+ (Sziklai + Ster +...) Elméleti együttműködés: J. Nyiri + V.V. Anisovich, L. Frankfurt, V.A. Khoze, E. Levin, M. Ryskin and M. Strikman, Közös (PHENIX + TOTEM) témakörök (elliptikus folyás, HBT) Teljes hatáskeresztmetszetek, LHC nyaláb luminozitás Rugalmas szórás hatáskeresztmetszete, diffraktív disszociáció A QCD fekete korong és színes gluonüveg kondenzátum (CGC) Más érdekes TOTEM/LHC fizika témák: Disoriented Chiral Condensate keresése Central Exclusive Production (CEP) Korrelációk vizsgálata (T. Cs, T.Novák) QCD Fullerének keresése (két Pomeronos CEP) Nagy rapiditás-szünetek CEP Higgs keltés 5

6 TOTEM-MAGYARORSZÁG: BEMUTATKOZÁS Csörgő Tamás (Wigner és KRF (2015-)), TOTEM tag 2008 óta; TOTEM-Magyarország vezetője, TOTEM Collaboration Board tag, LHC TOTEM Resource Review Board tag, TOTEM upgrade, dσ/dt skálaviselkedésének vizsgálata, adatok értelmezése, részvétel az adatok felvételében. Nemes Frigyes (Wigner és CERN), TOTEM tag 2009 óta; PhD hallgató, a TOTEM finanszírozásában folyamatosan a CERN-ben, az LHC optika rekonstrukciója, Roman Pot és egyéb upgrade detektorok szimulációja, részvétel az adatok felvételében, a dσ/dt adatok értelmezése. Szanyi István (Ungvár, Wigner és ELTE), TOTEM tag 2018-tól Ster András (Wigner), TOTEM tag ; TOTEM front-end elektronika programozása, p+pb adatokhoz dσ/dt és σ tot DIPSY Monte Carlo szimulációk és Glauber számítások végzése. Novák Tamás (KRF), TOTEM tag 2008 óta; TOTEM Detector Control System boxok építése, p+pb teljes és differenciális hatáskeresztmetszetek méréséhez referencia számítások végzése, részvétel az adatok felvételében. Csanád Máté (ELTE), TOTEM tag 2008 óta; TOTEM adatfelvevő rendszer, adatkiolvasás és az adatformátum fejlesztése, dn/dη adatok értelmezése, részvétel a p+pb adatfelvételben. Lucsányi Dávid (BME és Wigner), TOTEM tag között; BSc és MSc témavezetője Sziklai János, PhD témavezetője Csörgő Tamás, kutatásait ösztöndíj nélkül, egy fél tanéven keresztül folytatta csoportunkban. Dénes Ervin (Wigner), TOTEM tag ; a TOTEM DCS fejlesztésében vett részt. Fájdalommal vettük tudomásul, hogy elhunyt június 10-én. 6 Sziklai János (Wigner), TOTEM tag 2008 óta; A TOTEM Detector Control System (DCS) fejlesztése, a DCS remote control system távoli vezérlése a Wigner FK-ból, részvétel az adatok felvételében.

7 TOTEM FIZIKA AZ LHC GYORSÍTÓNÁL TOTEM TOTEM TOTEM TOTEM TOTEM TOTEM TOTEM TOTEM TOTEM TOTEM 7 Rugalmas és diffraktív szórás: színtelen csere

8 TOTEM Roman Potok az IP5-nél 8 T1, T2: CSC és GEM rugalmatlan teleszkópok; RP-k: Római Edények (Roman Pots) JINST 3 (2008) S08007

9 9 ADATOK: SPECIÁLIS LHC OPTIKÁVAL

10 SPECIÁLIS OPTIKA PRECÍZ s tot σ tot σ inel dσ/dt = A exp B t A(s) =? Optikai tétel: σ tot (s) ~ A s Mandelstam s, t: s = (p 1 +p 2 ) 2 t = (p 1 -p 3 ) 2 σ el t 2.76 TeV előzetes, 7 és 8 TeV publikált, 13 TeV publikálásra beküldött TOTEM adatok s 10

11 AZ ELSŐ MEGLEPETÉS A TOTEMTŐL dσ dt = A e B t dσ/dt = A exp B t B(s) =? A B növekedése: Pomeron fizika B(s) hirtelen ugrása: Új fizikai csatorna megnyílása? Küszöbenergia 3-4 TeV Felette erős növekedés: A kis- t -s trend változása az LHC energiáin 11 Ellenőrző mérés: B(13 TeV) =?

12 TOTEM: ÚJ TREND A B(s)-BEN dσ dt = A e B t TeV előzetes, 7 és 8 TeV publikált, 13 TeV végleges eredmények

13 LEVY SORFEJTÉS 13 TEV-EN 13 Precíz mérés és illesztés 10 nagyságrenden át T. Csörgő, R. Pasechnik, A. Ster, arxiv.org:

14 13 TeV, DIFFRAKCIÓ max ds/dt LHC p+p 13 TeV, b*=90 m adatsor: max min Δ min Δ(pp) = 0.78 ± 0.05 Δ(pp) ҧ 0 null effektus Δ pp Δ(p ҧ p): Odderon 14 min ds/dt in pതp max min ~ 0 max min ~ 0 Odderon: Szingularitás J=1-nél Szükséges: pp, pഥp azonos energián! L. Lukaszuk, B. Nicolescu, Lett. Nuovo Cim. 8, 405 (1973) Legújabban: Nicolescu, ISMD 2018 LHCC: A C-páratlan és a s függő hatások szétválasztása után az Odderon felfedezése hivatalosan is kijelenthető.

15 LEVY ILLESZTÉS: FINOMSZERKEZET ISR LHC ISR Proton: kettős belső struktúra ISR: kvarkszerű (q) dominál LHC: dikvarkszerű (d) dominál 15 Csörgő, Pasechnik, Ster, arxiv:

16 A TOTEM KOLLABORÁCIÓ 2018-BAN 1 oldalon 8 ország 19 intézmény 93 szerző Köszönjük a támogatást!

17 Kérdések? 17

18 Tartalék fóliák 18

19 ÁTTEKINTÉS Bevezetés: Diffrakció Hofstadter eredményei, Glauber és Gribov inspirációja A magyar TOTEM csoport Tagjaink, hozzájárulásaink, időrend, felépítés, díjaink Az LHC optika rekalibrációja Új eredmények: TOTEM/LHC 7 és 13 TeV Páros felfedezés: struktúrák a protonban Páratlan felfedezés: Odderon (pp vs p-antip) arxiv:

20 R. HOFSTADTER, NOBEL-ELŐADÁS (1961) e+a: atommagokon rugalmasan szóródó elektronok szögeloszlásai 2 0 Gömb alakú atommagok elektromos töltéseloszlásai

21 RP ÁLLOMÁSOK, RUGALMAS PP SZÓRÁS Közeli(214 m) és távoli (220 m) TOTEM Roman Pot (RP) egység az IP5 mindkét oldalán. 13 TeV-en az RP egységek: 210, 214 és 220 m Minden egységben három RP: (felső, horizontális, alsó) Minden RP: 10 szilikon sztrip detektor (sorköz 66 mm) élnélküli (néhányszor x 10 mm után aktív felület) Trigger-képes elektronika Rugalmas szórás: két anti-párhuzamos proton Két kar, két független analízis: 45 alsó - 56 felső, 45 felső 56 alsó

22 TOTEM CERN LHC Modell: PHENIX-Magyarország, jelenleg tagja ELTE, EKE, MTA Wigner + Debrecen külön BNL RHIC gyorsító, USA, alulról jövő kezdeményezés Magyarok Amerikában forró nyomon az Ősanyag nyomában Zero Degree Calorimeter (ZDC): detektor felelősség p+p és A+B (Au+Au) fizika a RHIC-nél: arany-kor 22 Csörgő T: Az ISMD Board of Elders (BoE) titkára hagyományos témák: diffrakció (HEP), szoft fizika, kozmikus záporok, korrelációk és fluktuációk stb. Érdeklődés a TOTEM/LHC fizika iránt: kvantum optika a HEP-ben, Glauber/Gribov kapcsolat, teljes hatáskeresztmetszet, QCD Fullerének: a QCD egyik új tartományának a feltérképezése Emberi méretek: ~ 60 fő a TOTEM-ben a magyar csatlakozáskor TOTEM: a 3. legkisebb jóváhagyott LHC kísérlet kis kísérlet, óriási potenciállal ( -> 440 m hosszú) a legnagyobb rapiditástartományt fedi le (a midrapiditásnál mérő CMS-sel együtt) felfedezési potenciál alapja: a kozmikus záporokban megfigyelt események (JACEE, CENTAURO) Élenjáró fizika (vonzó a PHENIX-Hu csoport tagjainak) 2 2

23 23 CERN LHC, IDŐREND 1997: TOTEM LoI: Az LHCC és LHC RRB jóváhagyása 1999: TOTEM Technical Proposal. CERN: IP5 (CMS vertex) a legoptimálisabb hely 2004: TOTEM TDR 2006: TOTEM-Hungary Expression of Interest (Csörgő Tamás, Ster András, ) A TOTEM Collaboration Board jóváhagyása Első TOTEM-Hu pályázatok K. Eggert tudományos és E. Radermacher technikai vezető Budapesten 2007: Obszerver státusz (KFKI és ELTE) Csörgő T. előadása az MTA Részecskefizikai Bizottságban a TOTEM-Hu tudományos programja OK, szabadon pályázhatunk 2008: Az MTA KFKI RMKI a TOTEM kollaboráció tagja, ELTE: obszerver státusz A TOTEM JINST cikke, első magyar társszerzővel (Ster András) 2009: R. J. Glauber a TOTEM-ben, a magyar csoport szervezésében 2011: Első fizikai eredmény: 7 TeV EPL Best of 2011 elismerése 2011: Csörgő Tamás az Európai Akadémia tagja 2012: R. J. Glauber Magyarországon, Cs.T és a Harvard Club Hungary szervezésében 2013: Higgs-bozon kereső kártyajáték a CERN Open Days en 2014: Nemes Frigyes TOTEM-es cikke - két díj (New J. Phys. G-től és az IOP-től is) 2014: A gyöngyösi Károly Róbert Főiskola csatlakozik a TOTEM-hez (jelenleg EKE) 2016: Novák Tamás: Aranykréta és az Eszterházy Károly Egyetemért díjak 2017: Csanád Máté a Fiatalok Európai Akadémiájának a tagja Csörgő Tamás EPJ C kiváló bírálója Nemes Frigyes: TOTEM Performance Prize (a TOTEM tudományos vezetőjétől) 2018: TOTEM: Odderon felfedezése (LHCC, RRB, ISMD18 konferencia) 2 3

24 Wigner, Budapest,

25 KONZISZTENS s tot MÉRÉSEK Inelasztikus független 7 TeV r független L független Kiválóan egyező eredmények - különböző módszerekkel (7 TeV) - különböző LHC optikákkal (8 TeV) 8 TeV: PRL 111, TeV

26 LEVY ILLESZTÉS: DURVA SZERKEZET 26 T. Csörgő, R. Pasechnik, A. Ster, arxiv.org: A proton mérete növekvő energiával növekszik: de az LHC energiákon az alakjuk is megváltozik! 26

27 KÉPALKOTÁS PROTON ADATOKKAL PP: PROTON+PROTON 27 T. Csörgő, R. Pasechnik, A. Ster, arxiv.org:

28 LEVY ILLESZTÉS: FINOM SZERKEZET 28 A protonban két belső szerkezetet találtunk: a kisebb ISR energiákon kisebbet, ~ q az LHC energiákon nagyobbat, ~ d=(q,q) 28 I. M. Dremin, Universe 4 (2018) no.5, 65

29 P = (q,d) Rugalmas proton-proton szórás Kétféle belső szerkezeti elem: egy nagyobb (~dikvark) és egy kisebb (~kvark) alkotórész.

30 KÉPALKOTÁS PROTON-ANTIPROTON ADATOKBÓL PPBAR: PROTON+ ANTIPROTON 30 T. Csörgő, R. Pasechnik, A. Ster, arxiv.org:

31 HIBAVIZSGÁLAT Az árnyékolás GeV ISR energiákon ugyannak a valaminek az árnyéka, a mérési hibákon belül. Az árnyék az LHC energiáin 7-től 13 TeV között MEGVÁLTOZIK: A mérete marad, de EGYRE SÖTÉTEBB LESZ

32 C-PÁRATLAN : (P,P) - (P,ANTIP) A C-PÁRATLAN ÉS AZ ENERGIAFÜGGŐ HATÁSOK KEVEREDHETNEK 32 T. Csörgő, R. Pasechnik, A. Ster, arxiv.org:

33 C-PÁRATLAN : (P,P) - (P,ANTIP) A C-PÁRATLAN ÉS AZ ENERGIAFÜGGŐ HATÁSOK SZÉTVÁLASZTHATÓAK C-PÁRATLAN HATÁS: ODDERON 33 T. Csörgő, R. Pasechnik, A. Ster, arxiv.org: SZÜKSÉGES: PP ÉS PPBAR AZONOS ENERGIÁN!

34 C-PÁRATLAN : (P,P) - (P,ANTIP) P FÁZISA / π ENERGIAFÜGGÉS HIÁNYA C-PÁRATLAN HATÁS: ODDERON 34 T. Csörgő, R. Pasechnik, A. Ster, arxiv.org:

35 ds/dt, 13 TeV, b*=90 M

36 ÖSSZEFOGLALÁS Az LHC energiákon a proton megváltozik Nagyobb és Sötétebb, de nem Élesebb Minél gyorsabban megy, annál nagyobbnak látszik ODDERONT KERESTÜNK ÉS ODDERONT TALÁLTUNK Váratlanul betekintettünk a proton belső szerkezetébe: kvalitatíve a proton ~ felöltözött kvark és dikvark P=(q,d) 36 36