A nagyenergiás magfizika kísérleti módszerei

Átírás

1 BME NTI magfizika, 2017 május BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 1 A nagyenergiás magfizika kísérleti módszerei Vértesi Róbert vertesi.robert@wigner.mta.hu MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske- és Magfizikai Intézete ALICE-Budapest csoport

2 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 2 Az erős kölcsönhatás és a kvark-gluon plazma Kvarkbezárás és aszimptotikus szabadság A QCD fázisdiagramja Kísérleti eszközök, módszerek, alapfogalmak Gyorsítók, kísérletek: RHIC, LHC Pszeudorapiditás, azimut-aszimmetria, maganyag-módosulás Jet-quenching: a nagy impulzusú részecskék elnyomása Maganyag-módosulási tényező forró maganyagban (R AA ) Kétjet-aszimmetria A maganyag kollektív viselkedése A tökéletes folyadék (v 2 kvarkszám-skálázása, viszkozitás) Nehéz kvarkok, kvarkónium Tematika A kvarkóniumok kötésienergia-függő disszociációja A plazma hőmérséklete

3 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 3 Az erős kölcsönhatás és a kvark-gluon plazma Kvarkbezárás, aszimptotikus szabadság A QCD fázisdiagramja

4 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 4 Világunk építőkövei Anyag Atom Atommag Nukleon Kvarkok: az atommag elemi részecskéi Gluonok: A magot összetartó erős kölcsönhatás közvetítői Kvarkbezárás: nincs magányos kvark! Hadronokat alkotnak Kvantumszíndinamika: az erős kölcsönhatás elmélete Hogyan tudhatunk meg többet róluk?

5 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 5 Elektromágneses és erős kölcsönhatás Kvantum-elektrodinamika (QED): Abeli U(1) mértékelmélet Generátor ~ foton kölcsönhatás tömeges tér (e) Effektív potenciál V EM (r)~ α/r mértéktér (foton) Kvantumszíndinamika (QCD): Nem-abeli SU(3) mértékelmélet 8 független generátor ~ 8 gluon gluon: színtöltés, önkölcsönhatás Effektív potenciál V QCD ~ α/r+σr

6 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 6 Az erős kölcsönhatás kettőssége A futó csatolási állandó: k: momentumátadás Λ~200 MeV: QCD skálaparaméter Aszimptotikus szabadság "Kemény" partonok kölcsönhatása Perturbatívan számolható Kvarkbezárás _ mezon (qq), barion (qqq) Analitikusan nem számolható Rács-QCD Effektív modellek: zsák, húr, hidrodinamika

7 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 7 Hadronizáció, jet Egymástól távolodó kvarkok Lineáris potenciál, "húr": U ~ σr (σ~1 GeV/fm) Halmozódó energia újabb qq pár keltése _ Hadronizáció: QCD parton hadronok kollimált nyalábja Jet: egyezményes definíció, "kísérlet-elmélet interface"

8 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 8 Forró, sűrű maganyag: új fázis? Rács-QCD számítások: hadronos anyag csak bizonyos hőmérséklet, energiasűrűség alatt létezik T c ~170 MeV~1.5x10 12 K ε c ~ 1 GeV/fm 3 Fázisátmenet Kvark-gluon plazma (QGP) Létezik? Mik a tulajdonságai?

9 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 9 A kezdet: "nagy bumm" Ősrobbanás Észlelés

10 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 10 Nehézion-ütközések: "kis bumm" Ütközés Kvark-gluon plazma Hadronanyag Észlelés

11 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 11 A víz fázisdiagramja szilárd folyékony gáznemű kevert fázis

12 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 12 A QCD fázisdiagramja Cél: a QCD fázisainak feltérképezése, megértése A kvark-gluon plazma megismerése Látjuk-e a fázisátalakulást? Milyen a jellege? Van-e kritikus pont?

13 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 13 Kísérleti eszközök, módszerek, alapfogalmak Gyorsítók, kísérletek: RHIC, LHC Pszeudorapiditás, azimutaszimmetria, maganyag-módosulás

14 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 14 RHIC relativisztikus nehézion-ütköztető Két 3,6 km hosszú szinkrotron-gyűrű Rendkívül sokoldalú Au, Cu, U, d, 3 He, p polarizált protonok ( spinfizika) Aszimmetrikus ütközések Széles energiatartomány p+p: s = GeV Au+Au: s NN = GeV (fix target: 2.7 GeV) Kísérletek: STAR, PHENIX (PHOBOS, BRAHMS) BNL (NY, USA)

15 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 15 LHC: a Nagy Hadronütköztető CERN: Közös európai kutatóközpont 22 tagország együttműködése LHC: 27 km hosszú gyorsítógyűrű Legnagyobb energia p+p: s=13 TeV Pb+Pb: s NN =5.02 TeV Kísérletek: ALICE, CMS, ATLAS, LHCb

16 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 16 Az ALICE kísérlet (példa) Kifejezetten nehézionfizikára épült detektorrendszer Számos specializált aldetektor

17 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 17 Rekonstruált nehézion-esemény Másodpercenként akár 600 millió ütközés Akár többezer részecske jeleinek azonosítása, értelmezése, feldolgozása 2-4 GB adat másodpercenként

18 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 18 "Kemény" folyamatok kevés nagy impulzú részecske korai keletkezés, jól ismert folyamatokban nagy áthatolóképesség Plazma átvilágítása, Közegbeli módosulás vizsgálata Mérési módszerek "Lágy" folyamatok Sok, kis impulzusú részecske késői állapotokból Termikus viselkedés Kollektív dinamika ( folyás )

19 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 19 Fogalmak Nukleononkénti ütközési energia (tkp.): s NN Centralitás centrális periférikus ~ Kinematikai változók nyalábra merőleges (x,y) sík - "fizika": Transzverzális impulzus: p T = (p x 2 + p y 2) Azimutszög, φ nyalábirányú (z) boost: Rapiditás: σ inel : teljes rugalmatlan szórási hatáskm. b<b max : ütközési paraméter Pszeudorapiditás (ha m=0, η=y):

20 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 20 Jet-quenching: a nagy impulzusú részecskék elnyomódása Maganyag-módosulási tényező a forró maganyagban (R AA ) Kétjet-aszimmetria

21 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 21 Nukleáris módosulási tényező Maganyagmódosulási tényező Hozam nehézionütközésekben Elemi nukleon-nukleon ütközések száma nehézion- reakcióban Hozam p-p ütközésekben A+A hozam összevetése a p+p ütközésekével R AA = 1 : a maganyagnak nincs hatása R AA < 1 : elnyomódás (impulzusvesztés a maganyagban) N coll : centralitásfüggő, Glauber (geometriai) modellből

22 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 22 "Öngenerált" kemény próbák Kvark és gluon Erősen kölcsönható ("színes") plazmával a jetek kölcsönhatnak, energiát vesztenek sugárzás illetve ütközés útján Kellően nagy úthossz esetén teljesen elnyelődnek Gyulassy-Lévai-Vitev modell: "jet quenching" (jet-elnyomás) jelensége Várakozás: R AA < 1 Elektron és foton Az elektromágneses kölcsönhatás számára a plazma lényegében átlátszó Áthatoló próbák Várakozás: R AA ~ 1 E: "jet" energiája L: "jet" teljes úthossza a plazmában λ g ~ 1 fm : átlagos gluon szabad úthossz μ~0.5 GeV : színárnyékolási skála Mit mutatnak a kísérletek?

23 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 23 RHIC 2002 : Jet-elnyomás RHIC white papers: NPA 757 (2005) Könnyű hadronok kb. azonos mértékben nyomódnak el (200 GeV-es centrális ütközésekben R AA h~0.2) Ellenpróba: Foton-elnyomódás nem tapasztalható (R AA γ ~ 1) Az erősen kölcsönható QGP első meggyőző bizonyítéka

24 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 24 Kétjet-aszimmetria (LHC) p+p Pb+Pb Kétjet-aszimmetria PRL 105 (2010) eseményenkénti információt ad p+p ütközések: kis aszimmetria Centrális Pb+Pb: erős aszimmetria

25 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 25 A maganyag kollektív viselkedése: a tökéletes folyadék A v 2 kvarkszám-skálázása viszkozitás

26 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 26 Azimutális anizotrópia Az ütközési régióban térben anizotróp QGP Nyomáskülönbség: R x < R y ==> P x > P y Az időfejlődés során a térbeli anizotrópia impulzusbeli anizotrópiává alakul Paraméterezés: Fourier-sor Elliptikus folyás: Kollektivitás észlelése: harmonikus együtthatók meghatározása (v 1..v 6 ) jelentős v 2 erős csatolás a részecskék között λ : részecske szabad úthossza R : a forrás jellemző mérete

27 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 27 Hogyan folyik a maganyag? Rendkívül erős kollektivitás! Erősen csatolt forró közeg Aszimptotikus szabadság??? Barionok Viszkozitásmentes hidrodinamikai modellek jól leírják ~Tökéletes folyadék Lokális energia-és impulzusmegmaradás Mezonok Transzverzális kinetikus energia Munkatétel Konstituens kvarkok számával való skálázás Szabadsági fokok: kvarkok sqgp a RHIC-nél: kvarkok tökéletes folyadéka

28 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 28 Mennyire tökéletes a kvarkfolyadék? PRL 98 (2007) Feltételezett kvantummechanikai limit RHIC 200 GeV Au+Au: Rendkívül közel a limithez 4πη/s ~ (modelfüggő) Valaha volt legkisebb viszkozítású folyadék LHC 2.76 TeV Pb+Pb: A skálázás nem tökéletes 4πη/s ~ 2 (modelfüggő) η: viszkozitás s: entrópiasűrűség λ f : szabad úthossz c s : hangsebesség

29 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 29 Nehéz kvarkok fizikája, kvarkónium A kvarkónium kötésienergia-függő disszociációja A kvark-gluon plazma hőmérséklete

30 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 30 Mire jók a nehéz kvarkok? Az összes hagyományos anyagot a két könnyű kvark alkotja Nehéz kvarkok csak instabil részecskékben fordulnak elő nehezebb kelteni hamar elbomlik Charm, bottom: "pont jó" tömeg Kezdeti, kemény folyamatokban keletkeznek A reakció során mindvégig megmaradnak Momentumtól függetlenül Közben kölcsönhatnak a plazmával Kinematika, transzport, hőmérséklet Ideális eszköz a QGP megértésére (csak legyen elég sok!)

31 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 31 Kvarkónium a QGP-ban Kvarkónium: kötött nehézkvark-pár Charmonium (cc): J/Ψ, Ψ, χ c Bottomonium (bb): (1S), (2S), (3S), χ B Debye-árnyékolás disszociáció a plazmában T. Matsui, H. Satz, Phys.Lett. B178, 416 (1986) Debye-árnyékolás

32 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 32 A kvarkónium-hőmérő Szekvenciális disszociáció: Az egyes kvarkónium-állapotok "olvadási" hőmérséklete a kötési energiától függ A kvarkonium a plazma hőmérőjeként használható Á. Mócsy, P. Petreczky, Phys. Rev. D77, (2008)

33 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 33 A hőmérsékletmérés komplikációi Dinamika, időfejlődés! Kvarkónium képződése, eltűnése A plazmában töltött idő Plazma dinamikája Kvark-antikvark pár kötésének erőssége Erősítő és gyengítő hatások Kezdeti állapottól való függés Hideg maganyag _ hatása Rekombináció (qq párok a QGP-ben) A charmoniumnál jelentős effektus! Láncbomlások: (2S) (1S) stb. Számos modell, valamelyest eltérő jóslatok Strickland-Bazow, NPA 879 (2012), 25 Emerick-Zhao-Rapp, Eur.Phys.J A48 (2012) 72 Liu-Chen, PLB 697 (2011) 32

34 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 34 Üpszilon mezonok mérése (LHC) μ + μ bomlás megfigyelése Energetikus müonpár keresése Invariáns tömeg rekonstrukciója p+p S Pb+Pb S Hozam kiszámítása (p+p és Pb+Pb) S S S S Háttér meghatározása, leválasztása Csúcsterület meghatározása Normálás az ütközések számával

35 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 35 R AA és hőmérséklet (LHC) CMS HIN PRL 109 (2012) T ini = 580 MeV T ini = 552 MeV T ini = 552 MeV T ini = 580 MeV Kisebb kötési energia erősebb mag-módosulás Centrális ütközések erősebb mag-módosulás A QGP kezdeti hőmérséklete különböző modellszámítások szerint: RHIC s NN =200 GeV Au+Au: T ini ~ MeV LHC s NN =2.76 TeV Pb+Pb: T ini ~ MeV LHC s NN =5.02 TeV Pb+Pb: T ini ~ MeV NPA 879 (2012), 25 Eur.Phys.J A48 (2012) 72 PLB 697 (2011) 32 arxiv:

36 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 36 Összefoglalás és kitekintés

37 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 37 A kvark-gluon plazma - összefoglalás Jet-elnyomás: Hadron R AA h ~ 0.2 a RHIC s NN =200 GeV/c 2 -es centrális nehézion-ütközéseiben Foton R AA γ ~ 1 sűrű színes közeg jön létre Erős kollektivitás: Hadronok erős elliptikus folyást mutatnak Kvarkszám-skálázás (RHIC energián pontos!) Rendkívül alacsony viszkozitás kvarkok ~tökéletes folyadéka Kvarkónium-állapotok szekvenciális elnyomása Kötési energia szerint rendezett elnyomódás T ini >> T c : ~500 MeV az LHC s NN =2.76 TeV-es centrális Pb+Pb ütközéseiben a kvarkanyag valóban forró ==> sqgp

38 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 38 Múlt: RHIC, SPS, LHC-1 (2000-) A Kvark-Gluon plazma létének bebizonyítása Alapvető tulajdonságainak megértése Precíziós könnyűkvark-mérések Nehézkvark-mérések kezdete Jelen: LHC-2, RHIC (2015-) Nagyobb energia Magasabb ütközési gyakoriság Precíziós charm-mérések Alapvető beauty-mérések Jövő: LHC-3 (2020-) Detektorfejlesztések, még magasabb energia és ütközésszám Részletgazdag beauty-mérések Múlt, jelen, jövő A nehéz kvarkok korszaka

39 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 39 Az ALICE-Budapest csoport DAQ upgrade/service group DAQ fejlesztése: CRU tervezése, gyártási folyamat felügyelete Kiss T, Dávid E, Imrek J Physics/Analysis group Töltött hadronok, jetek, nehéz kvarkok, korrelációk, gépi tanulás Barnaföldi GG, Bencédi Gy, Lévai P, Lowe A, Kőfaragó M, Vértesi R Detector Development Group Gázdetektor R&D, TPC fejlesztés Varga D, Boldizsár L, Hamar G, Endrőczi G, Oláh L Grid - ALICE Tier2 site T2 Budapest, 1000 mag, 500 TB HDD Barnaföldi GG, Bíró G, Harangozó Sz

40 BME NTI magfizika, 2017 május BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 40 Köszönöm a figyelmet! Vértesi Róbert vertesi.robert@wigner.mta.hu MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske- és Magfizikai Intézete ALICE-Budapest csoport

41 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 41 Elemi részecskék

42 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 42 A nehéz kvarkok észlelése Kvarkbezárás: c és b közvetett kimutatás lehetséges csak Hadronizáció során mezonokká (D, B) alakul Kimutatás: bomlástermékek azonosítása a bomlás helyének visszakövetése (másodlagos vertex rekonstrukciója) Közvetett: szemileptonos bomlás Közvetlen: hadronos csatorna Nehéz kvarkok élettartama: c D ~ m c ~ m Másodlagos vertex felbontása: <100 m

43 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 43 Másodlagos vertex keresése - ITS Félvezető technológia Másodlagos vertex észlelése Nehéz kvarkok élettartama: c D ~ m c ~ m Másodlagos vertex felbontása: <100 m

44 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 44 D mezonok Pb-Pb ütközésekben JHEP 03 (2016) 081 JHEP 03 (2016) 081 Számos modell különböző komponensekkel visszaadja az eredményt Nehéz kvark keltése: FONLL vagy NLO pqcd közelítés Ütközésekkel illetve sugárzással történő energiavesztés Maganyag evolúciója: hidrodinamikai? Glauber? Fragmentáció modellezése Az R AA nem elég a lényeges effektusok meghatározásához

45 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 45 Teljes b-jet reconstrukció (CMS) Huang-Bo-Vitev, PLB 726, 251 (2013) R AA (b-jet) ~ R AA (h-jets) Nagyon magas p T : hasonló inklúzív és b-jet elnyomás Színtöltés hatása? Gluon-splitting kontribúció? A jövő pontosabb mérései alacsonyabb p T -n

46 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 46 b-jetek mérése: ALICE analízis b-kvarkot tartalmazó jetek azonosítása a másodlagos vertex keresésével Folyamatban: Módszerek fejlesztése inklúzív mérés p-pb ütközésben Jövő: pp, Pb-Pb mérések Nagy statisztikás Run-II Szemi-inklúzív (b-h) mérések Transzport és hadronképződés függése a kvarktömegtől

47 BME magfizika 2017/05/10 Vértesi Róbert - Nagyenergiás magfizika 47 Relativisztikus hidrodinamika Energia-impulzus tenzor: Entalpia: E,p megmaradása: --> Relativisztikus... Euler-egyenlet: Energiamegmaradás: Töltésmegmaradás: Consequence is entropy conserva