Wolf György (RMKI, Budapest)

Átírás

1 Wolf György (RMKI, Budapest) Tartalom: A FAIR részei, tulajdonságai Nagy energiasűrűségű anyag intenziv nehézion- és lézer-nyalábbal Biofizika és anyagkutatások, BIOMAT Atomfizika, fizika alapjai nagytöltésű ionokkal és pˉ-nal, SPARC, FLAIR Magfizika, asztrofizika és reakciók ritka-izotóp-nyalábbal, NUSTAR Hadronfizika antiproton nyalábbal, PANDA Sűritett barion anyag, CBM

2 Miért kell a FAIR A SIS18 gyorsító lassan nyugdijba megy Le nem fedett energiatartomány Legnagyobb földi barionsűrűség (idővel súlyozva) Fontos potyautasok : gyorsító cm energia(agev) SIS AGS FAIR SPS RHIC LHC 5500 részecskefizikától biofizikáig PHELIX: Petawatt lézer Szeretem Darmstadtot

3 GSI látképe, jobbra a tervezett új komplexus

4 Öt kutató közösség a FAIR-en elsődleges nyaláb proton: 4 13/ciklus 35 GeV-en 90 GeV max. energia 238U28+: 3 11/s GeV/u-n 238U92+: 2 9/s 35 AGeV-nél ( 45 AGeV for Z=A/2) SIS 0/300 CBM HADES HESR Ritka-izotóp keltés Hadron fizika antiprotonokkal 11: GeV Plazma fizika: x600 higher magasabb target energia-sűrűség 600kJ/g gyorsító technikai kihívásai Rövid periódusidejű szupravezető mágnes nagy energiájú elektronhűtés dinamikus vákuum, nyalábveszteség Nehézion-fizika GeV/u HI nyaláb, x00 Super FRS FLAIR CRRESR Antiproton keltés Magszerkezet & Asztrofizika rádioaktiv nyalábokkal, 1-2 GeV x 000 intenzitás, kiváló hűtés NESR 0 m Extrém EM terek (HI) QED (HI & p) Alkalmazások (HI)

5 FAIR kutatási programja Rövid-pulzusú nehézion nyaláb: plazma fizika anyag nagy nyomáson, sűrűségen, hőmérsékleten fúzió alapjai Atomfizika, FLAIR, és alkalmazott kutatások nagytöltésű atomok alacsony energiájú antiprotonok radiobiológia Ritka-izotóp nyalábok: magszerkezet, nukleáris asztrofizika magszerkezet a stabilitási tartományon túl nucleoszintézis csillagokban és szupernovákban instabil hipermagok Antiproton-nyaláb: hadron fizika kvarkbezárási potenciál gluonikus anyag és hibridek dupla hipermagok bájos mezonok közegben Mag-mag ütközések: sűrű barion anyag barion anyag legnagyobb sűrűségeken (neutron csillagok) fázisátmenet és a kritikus végpont hadronok tulajdonságai közegben, királis szimmetria helyreállása

6 A FAIR kutatási programja szinte a fizika összes területét érinti

7 Biofizika és anyagkutatás (BIOMAT) Nagy intenzitású nehézion nyaláb Biofizika: sugárzási effektusok: galaktikus kozmikus sugárzás (genetikai öregedés, rák,...) Fémek nehézionok indukálta extrém nyomás alatt (geofizika: a Föld kérge és köppenyének felső része) Anyagok sugárzási ellenállása Optimális sugárzásárnyékolás (pl. űrhajózás) Rövid és intenzív ion pulzusok új folyamatok, nem megfigyelhetőek standard sugárzási feltételek mellett

8 Nagy energiasűrűségű anyag (HEDgeHOB) FAIR : tetszőleges ion intenziv, erősen fókuszált nehézion nyalábja adagokban Nagy energia sűrűségű anyag térfogat: ~ 1 cm³ élettartam: ~ ns energia-sűrűség: 600 kj/g (ma tipikus 1 kj/g) teljesítmény leadás: 12 Tw/g nehézion nyaláb: jól kontrolált kezdeti állapot Kutatási Programok: HIHEX, LAPLAS, WDM fémek állapotegyenlete közepes hőmérsékleten (~3 kk ), és nagy sűrűségeken ( Mbar-ig) (külső tartály fűtése) intenziv ion- és lézer-nyalábok kölcsönhatása forró és sűrű anyaggal sugárzás hidrodinamikája, magneto-hidrodinamika lézer indukált lökéshullámok sűrű anyagban (bolygók belseje) fázisátalakulások (pl. hidrogén fémesedése)

9 Plazmafizikai vonatkozások

10 Atom és fundamentális fizika nagy töltésű ionokkal és antiprotonokkal (SPARC, FLAIR) SPARC:Stored Particle Atomic Research Coll. Relativisztikus ionok:elektron, foton, atom ütközések - Doppler-eltolás, ea ütközés erős EM terekben QED: nagy töltésű ionokban, e kötési energiák Atomi struktúra nagy töltésű ionokra (szimmetriák) Ion-atom ütközések FLAIR:Facility for Low-energy Antiproton and Ion Research Antiprotonos atom és antihidrogén spektroszkópia Antianyag gravitációja Anti H Antiprotonos atomok: neutronbőr vizsgálata Tumor terápia

11 Doppler effektus relativisztikus ionoknál

12 Kinagyított Lamb-eltolódás - érzékeny QED teszt (H-szerű urániumra az 1s eltolódás: 466 ev (13)) De 1 ev pontosság kellene!

13 NUSTAR (Nucl. Structure and Astrophysics) LEB Super FRS Neutron gazdag magok, neutron bőr: - új párosodás, héj struktúrák, kollektiv módusok Alapvető szimmetriák: pl. N=Z magokban Nucleáris asztrofizika HISPEC/DESPEC, MATS,LaSPEC,NCAP,exo-pbar R3B ILIMA(Isomeric beams, lifetimes and masses) AIC (Antiproton Ion Collider) Proton és neutron-eloszlások ELISe (electron-ion scattering) Magszerkezet EXL (Exotic nuclei in Light-ion induced reaction)

14 Super-FRS nagyenergiájú ága: Teljes kinematikai mérés Reactions with Relativistic Radioactive Beams p fr. Exotikus nyaláb a Super-FRS-ből Széles tartományú mérés n n Target Mérések Nagy felbontású mérés Fizikai célok kiütés és kvázi-szabad szórás electromágneses gerjesztés egy-részecskés betöltések, spektrál függvények, correlációk, klaszterek, resonanciák a drip-vonalon túl töltés kicserélős reakciók Gamow-Teller erősség, spin-dipól rezonancia, neutron bőr hasadás Héjszerkezet, dinamikai tulajdonságok spalláció reakció mechanizmus, alkalmazások (waste transmutation,...) fragmentáció g-sugár spektroszkópia, izospin-függés multifragmentációban egy-részecskés betöltések, asztrofizikai reakciók (S factor) lágy koherens módusok, óriás-rezonanciák erőssége, B(E2)

15 A PANDA Program pp annihiláció talán a legjobb reakció bájos hadronok spektroszkópiájában: zkópiájában Tömegmérés < 0 KeV pontossággal szélesség meghatározás még nagyon keskeny állapotokra is Nagy pontosságú, mert csak a nyaláb paramétereitől függ Bármely kvantumszámú állapot kelthető ηc(1s), ηc(2s),... tömeg, szélesség, bomlások. Kvarkmodellek tesztje. JPC meghatározása szögeloszlás mérése. Szisztematikus feltérképezése a DD- küszöb feletti régiónak. Sugárzási és erős bomlások, pl. ψ(4040) D* D* (modellek tesztje)

16 Hibridek és Glueballok π 1(2000) and h2(1950) Exotic light qq Spin-exotikus kvantum számok JPC 2 amelyek nem lehetnek q q állapotok. Könnyű mezonok spektruma sűrű, c c mezonok spektruma ritkább π 1(1400) és π 1(1600) with JPC= A keskeny 1,5 GeV/c2 (Crystal Barrel) állapot a legvalószínűbb jelölt a glueball alapállapotra (JPC=0++) Exotic cc A QCD spektrum több mint amit a kvark modell ad, mert a gluonok is lehetnek hadronok építő kövei. Glueball: tiszta gluonos állapot Hibridek: q qg MeV/c

17 Charmonium magokban J/ψ és D hatáskeresztmetszet pannihilációban különböző magokon D+D- tömeg csökkenése lehetővé teszi charmonium állapotok bomlását ebbe a csatornába: szélesség drámai növekedése ψ(1d) 20 MeV 40 MeV ψ(2s).28 MeV 2.7 MeV

18 Maganyag sűrítése és hevítése nehézion ütközésben barionok sűrítés Supernovae robbanás, Neutroncsillagok hadronok + partonok hevítés = kvark-gluon anyag Korai univerzum

19 Szupersűrű anyag a természetben: neutroncsillag F. Weber Ritka szabadsági fokok? Hadronok közegbeli változása? Maganyag kompresszibilitása? J.Phys. G27 (2001) 465 kvarkfelszabadulás nagy sűrűségen?

20 Diagnosztikus eszközök U+U 23 AGeV

21 Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagrammja LHC RHIC SPS FA IR S1 SI 8 RHIC, LHC: nagy T-n és alacsony ρ-n folyamatos átmenet QGP-be Alacsony-energiás RHIC: QCD-CP keresés térfogati jellemzőkkel FAIR: teljes kutatási program ritka mennyiségekkel is

22 Elméleti módszerek Termális modellek - kémiai, valamint termikus egyensúly kifagyáskor - főleg kisérletiek módszere 3-D hidrodinamika: - kezdeti és végállapot nem kezelhető Transzport modellek - melyek a releváns szabadsági fokok - nagy nemzetközi együttműködés: lényegében az összes európai műhely összefog egy kód kidolgozására (Frankfurt, Giessen, Nantes, Catania, Budapest)

23 Barion- és energia-sűrűség Nehézion ütközésekben FAIR energiákon Barion- és energia-sűrűség a centrális cellában (Au+Au, b=0 fm): Transzport model HSD: átlagtér, hadronok + húrok E. Bratkovskaya, W. Cassing

24 Sűrűségek transzport modelekből J. Randrup, CBM Physics Book, in preparation I.C. Arsene et al., Phys. Rev. C 75 (2007) barion sűrűség energia sűrűség

25 3-folyadék hidrodinamika Hadron gas EOS: Y. Ivanov, V. Russkikh, V.Toneev nucl-th/

26 Compressed Baryonic Matter (sűrű barion anyag): fizikai problémák és megfigyelhető mennyiségek Állapotegyenlet nagy ρ B-nél hadronok kollektív folyása részecskekeltés küszöbenergiákon (nyilt bájosság) Felszabadító fázisátalakulás nagy ρ B-n ritkaság gerjesztési függvénye, folyása (K, Λ, Σ, Ξ, Ω) bájosság gerjesztési függvénye, folyása (J/ψ, ψ', D0, D±, Λc J/ψ és ψ elolvadása, charmonium elnyomás QCD kritikus végpont eseményenkénti fluktuációk (K/π, töltés,...) A királis szimmetria helyreállásának folyamata nagy ρ B-n hadronok közegbeli módosulása (ρ,ω,φ e+e-(μ+μ-), D)

27 QGP szignatúrák nehézion ütközésekben Quark-Gluon-Plasma: from big bang to little bang Kohsuke Yagi, Tetsuo Hatsuda, Yasuo Miake (2006) transzverzális impulzus térfogat bájosság,ritkaság antibarionok fluktuációk nagy pt hadronok nehéz kvarkonia tömeg és szélesség: ρ,ω,φ Különböző változókban ugrás! elliptikus folyás Mennyire mosódnak el a jelek a hadronizáció folyamán? εc Energia sűrűség termális fotonok és dileptonok εc

28 Részecske hozamok és arányok gerjesztési függvénye Transzport modellek: HSD, UrQMD, GiBUU K /π + y= E866 NA49 PHENIX STAR BRAHMS, 5% BRAHMS, % <K >/<π > 0.20 HSD UrQMD E866 NA49 PHENIX STAR BRAHMS, 5% BRAHMS, % E866 NA49 BRAHMS, 5% <Λ+Σ >/<π> 0 (Λ+Σ ) / π E877 NA49 STAR E866 NA49 BRAHMS, 5% 0.25 HSD UrQMD GiBUU K /π 0.20 Ratios <K >/<π > A mért adatok nem reprodukálhatóak a hadron-sztring képben => nonhadronos szabadsági fokok? 4π 0.25 E877 NA Elab/A [GeV] Elab/A [GeV] 4

29 QGP vizsgálata charmoniummal Kvarkonium disszociációs hőmérsékletek Digal, Karsch, Satz Bájosság: Dissociation (melting) of J/ψ in the QGP? melting of J/ψ and ψ'? bájosság Sequential a QGP biztató szignatúrája szükséges: gerjesztési függvény J/ψ, ψ', D, ΛC keltésre p+a és A+A ütközésekben (pt-spectrum, folyás) hadronikus reakciók megértése

30 nincs végállapoti kölcsönhatás vektormezonok megváltozása közegben CERES, NA50, NA60, HADES Dileptons

31 Dileptonok (In+In 160 AGeV) NA60 preciz mérései kizárnak modelleket! Végre egy bizonyíték ρ spektrálfüggvény szélesedésére!

32 Királis Szimmetria Helyreállása kondenzátum már jelentősen csökken alacsony energián 2-quark condensate 4-quark condensate SIS 18 SIS 300 SIS 300 SPS SIS 18 SPS SIS 18 SIS 300SPS freeze-out regions J. Wambach et al. S. Leupold, Trento Workshop 2005

33 D-mezonok közegbeli módosulása E. Bratkovskaya, W. Cassing

34 Kísérleti kihívások Centrális Au+Au ütközés 25 AGeV-en: URQMD + GEANT4 160 p 400 π 400 π + 44 K+ 13 K- 7 Au+Au reakció/sec-ig (nyaláb intenzitások 9 ions/s-ig 1 % target kölcsönhatás) vertexek nagy pontosságú meghatározása ( 50 µm) leptonok és hadronok meghatározása

35 Magyar fizikusok a FAIR programokban Magfizika HISPEC/DESPEC (High Resolution and Decay Spectroscopy at the Super-FRS) 5 fő EXL (Exotic nuclei studied in Light-ion induced reactions) 6 fő R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams) 6 fő TOF neutron spektrométer építés (ELENA) EURONS (FP6) segítséggel Atomfizika SPARC (Atomic Physics with stored highly-charged heavy ions) 2 fő FLAIR 7 fő Nehézion-fizika CBM 13 fő

36 FAIR project ára: ~ 1.1 milliárd (25% külföldi partnerektől).

37 Ring Radioactive Antiprotons Dense Ion Beams Nuclear Matter Plasma Physics Atomic Physics Synchrotron SIS0 ~5 ¹¹ U ions/pulse pulse compression to 60ns ~5 ¹¹ U ions/pulse pulse compression to 60ns 9 ions/s high duty cycle Synchrotron SIS300 ~3 ¹¹ U ions/s high duty cycle Collector Ring CR Fast stochastic cooling Isochronous mass spectrometer for short-lived nuclei Fast stochastic cooling High acceptance Accumulator Ring RESR Fast (1 T/s) deceleration of short-lived nuclei Accumulation of antiprotons New Experimental Storage Ring Fast (1 T/s) deceleration of short-lived nuclei Fast (1 T/s) deceleration of antiprotons ~4 ¹³ protons/ pulse pulse compression to 60ns ~2 ¹¹ ions/pulse pulse compression to 60ns ~1 9 U ions/s high duty cycle up to 34GeV/u U laser spectroscopy Electron cooling Internal target Deceleration and extraction to

38 Experimental Programs HIHEX (Heavy Ion Heating and Expansion): cylindrical or plane target (appropriate focusing may reduce the problem to 1 dim.) heated fast compared to hydrodynamical expansion the sample isentropically expands, passes through the phase diagram LAPLAS (Laboratory Planetary Sciences): cryogenic target (e.g. solid hydrogen) in cylinder of heavy material (e.g. lead or gold) outside cylinder is heated, so it expands inner cryogenic material: cold, and compressed by the outer cylinder WDM (Warm, Dense Matter) dynamical confinement for longer pulses (expansion of the inner material counteracted by the expansion of thin outer material) Diagnostics: Thomson scattering, x-ray blacklightning, proton radiography, Petawatt High Energy Laser (Phelix)

39 Diagnostics Temperature: (blackbody radiation) range: 1 kk - 60 kk ; time res.: 1 ns; spatial res.: 50µm; Ionization: K-shell emission spectroscopy Velocity: (Laser-Doppler interferometry) range: m/s-km/s; spatial res.: 50µm; time res.<1ns Conductivity: contact, noncontact (optical) Density: ion and proton radiography (multiple Coulomb scatt., nuclear attenuation of the beam) Opacity:area backlighting Low density plasmas: (temperature, density): Thomson X-ray scatt.

40 Magyarázatok (HEDgeHOB) HED:High energy Density, WDM: warm dense matter HEDgeHOB: High energy density matter generated by heavy ion beams Laplas: ólom tartályban szilárd hidrogén, tartály fütve, hidrogén nagy nyomáson HIHEX: target térfogatában fűtve WDM dinamikus bezárás: tartály, target egyszerre fűtve, hogy a target térfogata állandó maradjon

41 Magyarázatok (SPARC) Atomic physics with stored highly-charged heavy ions Stored particle atomic research coll.

42

43 QCD fázisdiagram nehézion ütközésekkel LHC RHIC SPS Kritikus végpont: Z. Fodor, S. Katz, hep-lat/ S. Ejiri et al., hep-lat/ FA J- Folyamatos átmenet kis μb-n IR PA R? C Rács QCD számolás: TC = MeV (folyamatos átmenet) S SI ε=0.5 GeV/fm3 18 elsőrendű fázisátalakulás