Bevezetés a nehézion-fizikába (Introduction to heavy ion physics)

Átírás

1 Bevezetés a nehézion-fizikába (Introduction to heavy ion physics) Veres Gábor (CERN-PH és ELTE) Hungarian Teachers Programme CERN, augusztus 20. vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

2 Miért kutatunk nehézionokat? A legnagyobb energiájú, legkomplexebb (0.1 mj) Kvark-bezárás tanulmányozása Mikromásodpercekkel az Ősrobbanás után Erős kölcsönhatás közvetítője: gluon barionok mezonok QCD: kvantum-színdinamika vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

3 QCD A kölcsönhatás erőssége az impulzus-átadástól (méretskálától) függ: Nagy impulzusok: aszimptotikus szabadság Nagy távolságok: nagyon erős, kvarkbezárás Színes húrok vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

4 Kvark-gluon plazma Nagy hőmérsékleten vagy nagy sűrűségnél a kvarkok közötti kölcsönhatás gyengül A kvarkok és gluonok ekkor kiszabadulhatnak a barionokból és mezonokból Ehhez szükséges Energiasűrűség: kb. 1 GeV/fm 3 vagy Barionsűrűség: kb. 1 barion/fm 3 (magsűrűség ötszöröse) Rács-QCD /T 4 T vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

5 Fázisdiagram: erősen kölcsönható anyag Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

6 Nehézion-ütközések - laboratóriumok BNL (USA), AGS: p (33 GeV), Au (14.6 GeV), fix céltárgy CERN (CH), SPS: p (450 GeV), Pb (158 GeV), fix céltárgy Kísérletek: NA49, NA61, BNL, RHIC: Au (200 GeV) Kísérletek: STAR, PHENIX, PHOBOS, BRAHMS CERN, LHC: Pb (2760 GeV) Kísérletek: ALICE, ATLAS, CMS vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

7 Nehézion-ütközés laboratóriumban Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

8 Milyen változókat használunk? Pszeudorapiditás: = - ln tan( /2) proton-nyaláb Transzverzális impulzus: p T Henger-koordináták: azimutszög: p p T proton-nyaláb vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

9 Centralitás N part : résztvevő nukleonok száma N coll : páronkénti nukleon-nukleon ütközések száma Gyakran a teljes hatáskeresztmetszet százalékában adjuk meg vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

10 A nehézion-ütközések globális jellemzői Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

11 Töltött részecskék száma Centralitás-függés: - Hasonló a RHIC eredményeihez Energiasűrűség becsülhető, kb. 15 GeV/fm 3! s-függés: - p+p, Pb+Pb: hatványfüggvény vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

12 Kémiai összetétel Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

13 Fázisdiagram RHIC SPS AGS Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

14 Hőmérséklet Kis transzverzális impulzusnál termális spektrumokat látunk (proton-proton ütközésekben) dn m dm T T e m T T s lope dn dm T m T e m T T s lope vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

15 Hőmérséklet+radiális folyás Nehézionok ütközésénél: Nagyobb m nagyobb T (laposabb spektrumok) T slope T fo 1 2 mv 2 vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

16 Értelmezés y v x v A kollektív mozgás rárakódik a termális mozgásra A kialakuló nagy nyomás miatt Tehát fontos a különböző tömegű részecskék mérése Ütközési energiával nő a radiális folyás sebessége ( c) vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

17 Elliptikus folyás dn d( RP ) N 0 1 2v cos( ) 2 cos RP v RP... vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

18 Hidrodinamikai értelmezés Hydrodynamic limit STAR PHOBOS RQMD Centrális ütközések: gyors termalizáció, tökéletes folyadék Periférikus ütközések: nem teljes termalizáció Hadronikus modell nem tudja leírni (RQMD) Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

19 Elliptikus folyás Nagy p T : a részecskék gyorsan kiszöknek, nincs termalizáció A hidrodinamikai modellek jól leírják a tömegfüggést is vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

20 Dileptonok Az ütközés korai szakasza Nem hatnak erősen kölcsön Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

21 Kvarkónium: szín-árnyékolás Vákuum: V( r) kr q r q QGP: V ( r) r / r e D q q D : a kötött állapot maximális mérete, Hőmérséklet növelésével csökken (de: regeneráció) vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

22 Elnyomás mérése Összehasonlítás p+p ütközésekkel: Ha nincs módosulás, akkor R AA =1 SPS RHIC rekombináció? vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

23 Y elnyomás Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

24 Kemény szórások felhasználása Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

25 Kemény szórások nehézion-ütközésekben Cél: a létrejött folyadék állapot (közeg) tulajdonságait vizsgálni Probléma: a közeg élettartama nagyon rövid (O(fm/c)), nem használhatunk külső sugárforrást a vizsgálatához Megoldás: kihasználjuk a nagy p T jet-ek, γ/w/z, kvarkónium állapotok nagy hatáskeresztmetszetét az LHC energián, és felhasználjuk ezeket magukban az ütközésekben. Külső sugárzás anyag vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

26 Energiaveszteség A plazmán áthaladó partonok energiát veszíthetnek Többszörös szórással Gluon sugárzással Spektrum: pp Quenched spektrum R AA ( p ) T 1 N coll dn dn AA pp / dp / dp T T vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

27 Jet-ek: mennyire erősen kölcsönható ez az anyag? Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

28 Jet energia aszimmetria A partonok energiaveszteségea jet-párok energia-egyensúlyának felborulásában jelenik meg, centrális Pb+Pb ütközésekben pp Pb Pb p p Pb vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

29 Hogyan jellemezhető a jet-ek energiavesztesége kalibrált módon? Pb+Pb??? vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

30 Hogyan jellemezhető a jet-ek energiavesztesége kalibrált módon? Pb+Pb vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

31 g-jet: u, d kvark energiavesztesége foton (191GeV) jet (98 GeV) A foton szerepe: Azonosítja a jet-et: u,d kvark jet Megadja az eredeti kvark mozgási irányát Megadja a kvark kezdeti energiáját vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

32 Hogyan módosulnak a jetek? Megváltozik az alakjuk vagy a fragmentációjuk? Jet fragmentációs függvény: A részecskék impulzusának eloszlása a jet tengelyére vetítve, a változót használva: =ln(p jet /p track ): nagy kis Jet alak: p T -eloszlás az - távolság függvényében a jet tengelyétől (r): r vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

33 (1/GeV) Részecskék p T -eloszlása jet-eken belül PbPb PbPb Nagy p T (kis ): nincs változás a p+p ütközésekhez képest Centrális Pb+Pb: részecskék többlete p+p-hez képest (nagy ) vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

34 p+pb ütközések: jan-feb. Referencia-mérés (?) Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

35 Jet-pár egy p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

36 Jet-pár egy p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vezető jet: E T = GeV Jet párja: E T = GeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

37 J/ψ jelölt p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

38 ϒ(1S) jelölt p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

39 Z jelölt (+jet) p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

40 Kétrészecske-korrelációk definiálása Jel-párok eloszlása: Háttér-párok eloszlása Event 1 Párok egyazon esemény ből Event 2 Kevert esemé nyek Az asszociált hadronok triggerenkénti száma: Δη = η 1 -η 2 Δφ = φ 1 -φ 2 vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

41 p+pb: a hegygerinc újra felbukkant! p Pb A fizikai magyarázat még nem teljesen tisztázott p+p 7 TeV N a töltött részecskék száma (p T >0.4 GeV/c) Sokkal nagyobb mint p+p ütközésekben vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

42 Az effektus szemléltetése p Azok a részecskék, amelyek ugyanabban az időzónában vannak, de nagyon távoli szélességi körök mentén, kapcsolatban vannak!?! Milyen mechanizmus lehet a telefonzsinór? p vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

43 Magyar részvétel NA61, SPS gyorsító: kritikus pont keresése, kvark-kiszabadulás kutatása PHENIX, RHIC gyorsító: tökéletes folyadék vizsgálata, energia-scan, stb. ALICE, LHC gyorsító: kiváló részecskeazonosítás CMS, LHC: kiváló jet, (di)müon, foton, korrelációs mérési lehetőségek Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

44 Összefoglalás A nehézionfizika az anyag új fázisával foglalkozik Az elméleti fizikai kevesebb támpontot ad, mint a részecskefizikában általában de épp ez a szépsége A kísérleti eredmények sokszor okoznak meglepetést (a jóslatokhoz képest) A magyar részvétel nemzetközi szinten is jelentős Köszönöm a figyelmet! vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

45 EXTRA Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

46 Időfejlődés Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

47 Mennyi energiát vesztenek a jet-ek? p+p Pb+Pb??? vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

48 Jet-ek nukleáris módosulási faktorai PbPb PbPb Elnyomás: nincs szignifikáns p T függés vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

49 Töltött hadronok, R AA PbPb PbPb vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

50 Nukleáris módosulási faktorok töltött hadronok jet-ek Ugyanazt a parton p T tartományt mintavételezik Megj: a jet-ek p+p és Pb+Pb ütközésekben hasonlóan fragmentálódnak (ld. később) vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

51 g-jet korrelációk A fotonok nem módosulnak, így energiamérést biztosítanak A jet-ek és fotonok p T -aránya (x Jg =p T jet /p Tg ) a jet energiaveszteségét közvetlenül méri Az x Jg eloszlás fokozatos centralitásfüggését tapasztaljuk x Jg PbPb PbPb vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

52 g-jet korrelációk x Jg =p T jet /p T g R Jg = a jet partnerrel (>30 GeV/c) rendelkező fotonok aránya PbPb PbPb Növekvő p T -aszimmetria A jet-ek energiájuk ~14%-át veszítik el Nincs -dekorreláció Kevesebb jet partner A fotonok ~20%-a elveszti a jet partnerét vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

53 A nehéz kvark-jetek is vesztenek energiát? udsg p+p udsg Pb+Pb??? b p+p b Pb+Pb vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

54 A b-jetek aránya az összes jethez képest b-jet részarány: hasonló érték p+p és Pb+Pb ütközésekben b-jet energiaveszteség tehát hasonló a könnyű kvarkok energiaveszteségéhez (R AA 0.5), egyelőre nagy szisztematikus hibával. p+p Pb+Pb CMS PAS HIN vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug

55 Újabb meglepetés p+pb ütközésekben Nagy p T : több részecske keletkezett, mint amit a proton-proton ütközésekből várunk. Semmilyen modell nem reprodukálja. vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, aug