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
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 1.95-2.7 AGS 3.3-5.8 FAIR 4.3-7.7 SPS 8.9-19 RHIC 20-200 LHC 5500 részecskefizikától biofizikáig PHELIX: Petawatt lézer Szeretem Darmstadtot
GSI látképe, jobbra a tervezett új komplexus
Öt kutató közösség a FAIR-en elsődleges nyaláb proton: 4 13/ciklus 35 GeV-en 90 GeV max. energia 238U28+: 3 11/s 1.5-2 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: 0.8-15 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 35-45 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)
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
A FAIR kutatási programja szinte a fizika összes területét érinti
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
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)
Plazmafizikai vonatkozások
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
Doppler effektus relativisztikus ionoknál
Kinagyított Lamb-eltolódás - érzékeny QED teszt (H-szerű urániumra az 1s eltolódás: 466 ev (13)) De 1 ev pontosság kellene!
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)
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)
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)
Hibridek és Glueballok π 1(2000) and h2(1950) Exotic light qq 1-- 1-+ 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=1-+. 1 A keskeny 1,5 GeV/c2 (Crystal Barrel) állapot a legvalószínűbb jelölt a glueball alapállapotra (JPC=0++). -2 0 2000 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 4000 2 MeV/c
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
Maganyag sűrítése és hevítése nehézion ütközésben barionok sűrítés Supernovae robbanás, Neutroncsillagok hadronok + partonok hevítés = kvark-gluon anyag Korai univerzum
Szupersűrű anyag a természetben: neutroncsillag F. Weber Ritka szabadsági fokok? Hadronok közegbeli változása? Maganyag kompresszibilitása? J.Phys. G27 (2001) 465 kvarkfelszabadulás nagy sűrűségen?
Diagnosztikus eszközök U+U 23 AGeV
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
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)
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
Sűrűségek transzport modelekből J. Randrup, CBM Physics Book, in preparation I.C. Arsene et al., Phys. Rev. C 75 (2007) 034902 barion sűrűség energia sűrűség
3-folyadék hidrodinamika Hadron gas EOS: Y. Ivanov, V. Russkikh, V.Toneev nucl-th/0503088
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)
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
Részecske hozamok és arányok gerjesztési függvénye Transzport modellek: HSD, UrQMD, GiBUU K /π + y=0 0.25 + 0.20 0.20 0.15 0.15 E866 NA49 PHENIX STAR BRAHMS, 5% BRAHMS, % 0.05 0.00 0 1 2 0.25 3 4 + 0.00 0 1 2 3 4 <K >/<π > 0.20 HSD UrQMD 0.15 0. 0. 0.05 E866 NA49 PHENIX STAR BRAHMS, 5% BRAHMS, % 0.00 0 1 2 3 0.05 E866 NA49 BRAHMS, 5% 0.00 4 0 0.08 1 2 3 4 0.08 <Λ+Σ >/<π> 0 (Λ+Σ ) / π 0 0.06 0.06 E877 NA49 STAR 0.04 0.02 0.00 + E866 NA49 BRAHMS, 5% 0.25 HSD UrQMD GiBUU 0.15 0.05 K /π 0.20 Ratios <K >/<π > 0. 0. A mért adatok nem reprodukálhatóak a hadron-sztring képben => nonhadronos szabadsági fokok? 4π 0.25 E877 NA49 0.04 0.02 0 1 2 3 Elab/A [GeV] 4 0.00 0 1 2 3 Elab/A [GeV] 4
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
nincs végállapoti kölcsönhatás vektormezonok megváltozása közegben CERES, NA50, NA60, HADES Dileptons
Dileptonok (In+In 160 AGeV) NA60 preciz mérései kizárnak modelleket! Végre egy bizonyíték ρ spektrálfüggvény szélesedésére!
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
D-mezonok közegbeli módosulása E. Bratkovskaya, W. Cassing
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
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
FAIR project ára: ~ 1.1 milliárd (25% külföldi partnerektől).
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
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)
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.
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
Magyarázatok (SPARC) Atomic physics with stored highly-charged heavy ions Stored particle atomic research coll.
QCD fázisdiagram nehézion ütközésekkel LHC RHIC SPS Kritikus végpont: Z. Fodor, S. Katz, hep-lat/0402006 S. Ejiri et al., hep-lat/0312006 FA J- Folyamatos átmenet kis μb-n IR PA R? C Rács QCD számolás: TC = 150-190 MeV (folyamatos átmenet) S SI ε=0.5 GeV/fm3 18 elsőrendű fázisátalakulás