Kvantumstatisztikus korrelációk a nagyenergiás fizikában. Csanád Máté ELTE Atomfizikai Tanszék április 28.

Hasonló dokumentumok
A tudatlanság néha áldás avagy mekkora a laborban létrehozott ősrobbanás

Bose-Einstein korrelációk a nagyenergiás nehézion-zikában

Z bozonok az LHC nehézion programjában

LÉVY- FEMTOSZKÓPIA A NAGYENERGIÁS FIZIKÁBAN

Kurgyis Bálint. Eötvös Loránd Tudományegyetem, Budapest ELTE,

A v n harmonikusok nehézion-ütközésekben

Rádl Attila december 11. Rádl Attila Spalláció december / 21

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

Egzakt hidrodinamikai megoldások alkalmazása a nehézionfizikai fenomenológiában néhány új eredmény

Bevezetés a részecske fizikába

NA61/SHINE: Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagramja

Theory hungarian (Hungary)

Radioaktivitás. 9.2 fejezet

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Pósfay Péter. arxiv: [hep-th] Eur. Phys. J. C (2015) 75: 2 PoS(EPS-HEP2015)369

Azonos és egymással nem kölcsönható részecskékből álló kvantumos rendszer makrókanónikus sokaságban.

Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

Részecske azonosítás kísérleti módszerei

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék


Kvantumos információ megosztásának és feldolgozásának fizikai alapjai

KVANTUMMECHANIKA. a11.b-nek

Kétrészecske Bose Einstein-korrelációs függvények vizsgálata a STAR kísérletben

CERN: a szubatomi részecskék kutatásának európai központja

Dr. Berta Miklós. Széchenyi István Egyetem. Dr. Berta Miklós: Gravitációs hullámok / 12

Univerzalitási osztályok nemegyensúlyi rendszerekben, Ódor Géza

Háromdimenziós BoseEinstein-korrelációk nehézion-ütközésekben

Hadronok, atommagok, kvarkok

Paritássértés FIZIKA BSC III. MAG- ÉS RÉSZECSKEFIZIKA SZEMINÁRIUM PARITÁSSÉRTÉS 1

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Lévy-típusú Bose Einstein-korrelációk mérése az NA61/SHINE kísérletnél

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

A lézer alapjairól (az iskolában)

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Bevezetés a nehéz-ion fizikába

Részecskegyorsítókkal az Ősrobbanás nyomában

Két- és háromrészecske kvantumstatisztikus korrelációk a nagyenergiás fizikában Szakdolgozat

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Erős terek leírása a Wigner-formalizmussal

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Atommagok alapvető tulajdonságai

AZ ELEKTRON MÁGNESES MOMENTUMA. H mágneses erœtérben az m mágneses dipólmomentummal jellemzett testre M = m H forgatónyomaték hat.

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Határtalan neutrínók

JÁTSSZUNK RÉSZECSKEFIZIKÁT!

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

Lévy-típusú kétrészecske HBT-korrelációs függvények mérése a PHENIX kísérletben

Vázlatos tartalom. Szerkezet jellemzése és vizsgálata Szilárdtestek elektronszerkezete Rácsdinamika Transzportjelenségek Mágneses tulajdonságok

Részecske korrelációk kísérleti mérése Englert Dávid

egyetemi állások a relativitáselmélet általánosítása (1915) napfogyatkozás (1919) az Einstein-mítosz (1920-tól) emigráció 1935: Einstein-Podolsky-

Modern Fizika Laboratórium Fizika BSc 22. Kvantumradír

Abszolút és relatív aktivitás mérése

Töltött részecske multiplicitás analízise 14 TeV-es p+p ütközésekben

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

Megmérjük a láthatatlant

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

A világegyetem elképzelt kialakulása.

Pósfay Péter. ELTE, Wigner FK Témavezetők: Jakovác Antal, Barnaföldi Gergely G.

Atomfizika. A hidrogén lámpa színképei. Elektronok H atom. Fényképlemez. emisszió H 2. gáz

A legkisebb részecskék a világ legnagyobb gyorsítójában

Bell-kísérlet. Máté Mihály, Fizikus MSc I. ELTE. Eötvös Loránd Tudományegyetem. Modern zikai kísérletek szemináriuma, 2016.

Belső szimmetriacsoportok: SU(2), SU(3) és a részecskék rendszerezése, a kvarkmodell alapjai

Kísérlettervezés alapfogalmak

az Aharonov-Bohm effektus a vektorpotenciál problémája E = - 1/c A/ t - φ és B = x A csak egy mértéktranszformáció erejéig meghatározott nincs fizikai

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 23. MRF2 Kvarkok, neutrínók

Szilárdtestek sávelmélete. Sávelmélet a szabadelektron-modell alapján

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

Bevezetés a részecskefizikába

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Atommodellek. Az atom szerkezete. Atommodellek. Atommodellek. Atommodellek, A Rutherford-kísérlet. Atommodellek

Részecskefizika kérdések

Szilárdtestek mágnessége. Mágnesesen rendezett szilárdtestek

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Ψ - 1/v 2 2 Ψ/ t 2 = 0

Az elektromágneses hullámok

Monte Carlo módszerek a statisztikus fizikában. Az Ising modell. 8. előadás

Kvantummechanika. - dióhéjban - Kasza Gábor július 5. - Berze TÖK

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Abszorpciós spektroszkópia

Egy kvantumradír-kísérlet

Lévy-típusú kétrészecske HBT-korrelációs függvények mérése a PHENIX kísérletben

Kutatóegyetemi Kiválósági Központ 1. Szuperlézer alprogram: lézerek fejlesztése, alkalmazásai felkészülés az ELI-re Dr. Varjú Katalin egyetemi docens

OPTIKA. Fénykibocsátás mechanizmusa fényforrás típusok. Dr. Seres István

Optika és Relativitáselmélet II. BsC fizikus hallgatóknak

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

Izotóp geológia: Elemek izotópjainak használata geológiai folyamatok értelmezéséhez.

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

17. Diffúzió vizsgálata

Magfizika szeminárium

A fény korpuszkuláris jellegét tükröző fizikai jelenségek

Abszorpciós fotometria

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

2010. január 31-én zárult OTKA pályázat zárójelentése: K62441 Dr. Mihály György


A Lederman-Steinberger-Schwartz-f ele k et neutrn o ks erlet

Biomatematika 12. Szent István Egyetem Állatorvos-tudományi Kar. Fodor János

Bose-Einstein korrelációk mérése és vizsgálata nagyenergiás mag-mag ütközésekben

Kvantumos jelenségek lézertérben

Átírás:

Kvantumstatisztikus korrelációk a nagyenergiás fizikában Csanád Máté ELTE Atomfizikai Tanszék http://csanad.web.elte.hu/ 2017. április 28.

Az előadás vázlata Egyfotonos interferencia és a HBT-effektus A kvantumfizika alapjai Kvantumstatisztika, Bose Einstein-korrelációk Femtoszkópia Alkalmazás: nagyenergiás nehézion-ütközések Kísérleti technikák Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 2/46

Mikroszkópia és hullámhossz Hullám + objektum = interferencia, ha λ méretskála A fény hullámhossza 3-600 nm között van: ennél kisebb tárgyat nem láthatunk vele (1μm = 10-6 m, mikroszkóp) Elektronmikroszkóp: nanoszkóp 1 nm = 10-9 m = 10 Å felbontás Biológiai struktúrák felbontása Atomok mérete: kb. 10-10 m Atomi erő mikroszkóp! Atommag: 1 fm = 10-15 m Femtoszkóp? Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 3/46

Egyfotonos interferencia Mi történik, ha a kétrés-kísérlet forrása nagyon gyenge? Egyszerre csak egy foton érkezik résekre Ez a legkisebb energiacsomag, nem oszolhat két részre! Lesz interferencia? Igen, de fokozatosan jelenik csak meg A foton önmagával interferál? A két lehetőség interferál önmagával! Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 4/46

Egy meglepő felfedezés: a HBT-korreláció Rádiócsillagászat: Jansky, 1933, furcsa 24 órás oszcilláció; a csillagok is sugároznak a rádióhullámú tartományban! R. H. Brown: rádióhullámú távcsővel vizsgálta a Szíriuszt R. Q. Twiss matematikust kérte fel a kísérlet hátterének közös kidolgozására Furcsa korrelációt talált az eredményekben Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 5/46

Mit jelent az, hogy korreláció? Hallgatóság, magasságok gyakorisága N(h) Magasságkülönbségek: N Δh = N h N h + Δh, átlag h-ra 140 150 160 170 180 190 200 magasság [cm] Kivéve, ha sok az egypetéjű ikerpár: váratlanul sok egyforma magasság növekedés a nulla pontban! Ekkor N 0 > N h N h Korreláció: elárulja az ikerpárok számát! -45-30 -15 0 15 30 45 magasságkülönbség [cm] -4-2 0 2 4 magasságkülönbség [cm] Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 6/46

korreláció erőssége A HBT-korreláció R. H. Brown megfigyelése: a két detektor kis távolsága esetén nagy a korreláció a két detektor között Együttes intenzitás túl gyakori : I(A, B) > I A I(B) Mi a korreláció oka? Interferencia? Két különböző foton között sosem lehet interferencia P. A. M. Dirac, A kvantummechanika alapjai Miért csökken le a korreláció a detektorok távolságával? d távolság detektortávolság Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 7/46

korreláció erőssége A HBT-effektus klasszikus leírása A detektorban az átlagos intenzitás I A, a és b forrásból B detektorban I B intenzitás A forrás méretétől függően sokféle geometria lehetséges Az átlagos együttes intenzitás: I A I B Mindez nagyon leegyszerűsítő tárgyalás, de kb. működik Brown mérése: C Δ = I AI B = 1 + 1 cos Δ, ahol I A I B 2 Δ = krd C Δ 1, ha d R L, mérés: = cos Δ L C 0 1 A pontszerűnek tűnő forrás (csillag) mérete mérhető: 30 nanoradián Nanoszkóp (radiánban) De mi van a fotonokkal? R a b korreláció! ~1/R detektortávolság d d Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 8/46

A HBT-effektus klasszikus alapokon A két pontforrásból jövő gömbhullám adott helyen: 1 A a r = r r a αeik r r a +iφ a a R b Az A detektorba érkező teljes hullám: d d A r A = 1 L αeikr aa+iφ a + βe ikr ba+iφ b Az intenzitás itt: I A = A r A 2 = 1 L 2 α 2 + β 2 + α βe ik(r ba r aa )+i Φ b Φ a + c. c. Ennek időátlagában kaotikus (random fázisú, termikus) sugárzás esetén eltűnnek a fázisok I A = I B = 1 L 2 α 2 + β 2 Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 9/46

A HBT-effektus klasszikus alapokon Az intenzitások szorzatának időátlaga viszont mást mutat: I A I B = A r A 2 A r B 2 Itt A r A 2 = 1 L 2 α 2 + β 2 + α βe ik(r ba r aa )+i Φ b Φ a + c. c. miatt a fázisok egy-egy tagban kiesnek Végül az alábbi adódik: I A I B = 1 L 4 α 2 + β 2 2 + 2 L 4 α 2 β 2 cos k(r aa r ba + r ab r bb ) Azaz innen α = β és d, R L esetén C AB Δ = I AI B = 1 + 1 krd cos I A I B 2 L R AB Δ = C AB Δ 1 C AB 0 1 = cos krd L R a b d d Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 10/46

A HBT-effektus klasszikus alapokon (0, R) a R b (0,0) L A B L, d L, R + d 2 R d 2 Ԧr aa = Ԧr ab = Ԧr ba = Ԧr bb = R d L, 2 R + d L, 2 +R + d L, 2 +R d L, 2 r aa r ba + r ab r bb = 2 L 2 + R + d 2 4 2 L 2 + R d 2 4 Rd L C AB Δ = I AI B = 1 + 1 krd cos I A I B 2 L R AB Δ = C AB Δ 1 C AB 0 1 = cos krd L Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 11/46

A tudatlanság néha áldás Hogy két foton különböző detektorokba való érkezése korrelált lehet: meglepően sokak számára ez eretnek, sőt, nyilvánvalóan abszurd ötlet volt. Félreérthetetlen formában közölték ezt velünk, személyesen, levélben, nyomtatásban; és laborkísérletek publikációján keresztül mutatták meg, hogy tévedünk. Messze voltam attól, hogy ki tudjam számolni, a kísérletünk elég érzékeny lehet-e egy csillag vizsgálatára. Ehhez ismernem kellett volna a fotonokat, és mérnökként fizikai tanulmányaim jóval a kvantummechanika előtt megálltak. Még az is lehet, hogy különben, sok fizikushoz hasonlóan arra jutottam volna, hogy a dolog nem működhet a tudatlanság néha áldás a tudományban. Boffin: Személyes történet a radar, a rádiócsillagászat és a kvantumoptika korai időszakából (R. H. Brown) Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 12/46

A tudatlanság néha áldás Érdekes megnézni az elektron töltésére vonatkozó, Millikant követő méréseket. Ha az idő függvényében ábrázoljuk ezeket, látjuk, hogy az első kicsit nagyobb Millikan értékénél, a következő még nagyobb, és így tovább, míg egy bizonyos, Millikan értékénél nagyobb számnál meg nem állapodnak. Miért nem mérték egyből helyesen az értéket?... Amikor a kísérlet vezetője Millikanénél lényegesen nagyobb számot kapott, azt gondolta, biztos valamit rosszul csinált és megkereste ennek okát. Ha Millikanhez közeli értéket talált, akkor nem olyan alaposan nézte át a kísérletet. Tréfál, Feynman úr? Egy mindenre kíváncsi pasas kalandjai (R. P. Feynman) Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 13/46

Az eddigiek összegzése A fény elektromágneses hullám, intenzitása (erőssége) a hullámzó tér négyzetével arányos A fény ugyanakkor fotonokból is áll Nem a fotonok interferálnak, hanem a lehetőségek, azaz a lehetséges útvonalak R. H. Brown megfigyelése: a csillag különböző pontjaiból érkező fény (rádióhullám) interferál A fény-távcsőben pontszerű csillag mérete mérhető! Ezek különböző fotonok! Hogyan lehetséges az interferencia? Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 14/46

A részecskék hullámtermészete Ha a fény lehet részecske, akkor az elektron is lehet hullám? Igen, sőt, az atomok, molekulák is! Egymolekula-interferencia szerves makromolekulákal (ftálocianin-származék) Kétrés-kísérlet C 60 molekulákkal: Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 15/46

A kvantumfizika alapjai Mi felel meg a elektromágneses hullám intenzitásának? Észlelési valószínűség, avagy megtalálási valószínűség Mi hullámzik? Hát a hullámfüggvény! A részecske egyúttal Ψ x hullám, k hullámszámmal Erre k = p/ħ összefüggés igaz (ahol p az impulzus) Így P x = Ψ x 2 a részecske megtalálási valószínűsége Egy részecske bárhova becsapódhat Sok részecske már követi a P(x) eloszlást Ténylegesen észlelhető is Hogy Ψ x kérdése micsoda? Interpretáció Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 16/46

A részecskék megkülönböztethetlensége Öt golyóból hányféleképpen választhatunk kettőt? 2 1 5 5 1 5 1 4 2 5 2 = 5! = 10 a lehetőségek száma 2!3! Mi van, ha a golyók helyett részecskékről beszélünk? Megkülönböztethetetlenek! Csak egy lehetőség! 4 3 4 Kétrészecske hullámfüggvény szimmetrizálandó Két részecske A és B állapotban: Ψ AB 12 = 1 2 Ψ 1 A Ψ 2 B + Ψ 1 B Ψ 2 A Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 17/46

A kvantumstatisztika születése S. N. Bose, India, 1922: egyetemi előadása során azt akarta bemutatni, hogy a Planck-féle kvantummechanika ellentmond a megfigyeléseknek Egyszerű statisztikai hibát vétett az órán Ezzel azonban egyeztek az adatok! Bose-féle statisztika? Senki nem hitt neki Einstein igen, közös cikkek 1924-ben Bose Einstein-statisztika! A fotonok felcserélhetőek Megtalálási valószínűségük szimmetrikus Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 18/46

A HBT-effektus kvantumos magyarázata Szimmetrizált hullámfüggvény : mindegy, hogy a A és b B vagy a B és b A Ezért a fotonok a vártnál jobban szeretnek egy irányba menni Konkrétan e ikx alakú hullámfüggvényekből megkapható a két részecske együttes valószínűsége a két detektorban: P A, B P A P(B) = 1 + cos k Rd L Az eredmény ugyanaz, mint a klasszikus esetben A korreláció szélessége a forrás méretével ford. arányos Bose Einstein-korreláció! Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 19/46

HBT-effektus két kvantumos forrás esetén Egyrészecske hullámfüggvények Ψ B b = e ikr bb+iφ b és Ψ A a = e ikr aa+iφ a Kétrészecske hullámfüggvény: Ψ AB = 1 2 Ψ A a Ψ B b + Ψ B a Ψ A b a megkülönböztethetetlenség miatt Innen az egyre normált egyrészecske h.fv.-ek miatt P A, B C AB = P A P(B) = 1 Ψ a 2 A Ψ b B + Ψ a b B Ψ 2 A ahol a a termikus, azaz a fázisokra vett átlag Innen a klasszikus esethez hasonlóan az eredmény C AB = 1 + cos k r aa r ba + r ab r bb ha d R L 1 + cos k Rd L Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 20/46

Bose Einstein-korreláció, kiterjedt források Kiterjedt, S(r) eloszlású forrás esetén mi történik? Az előzőekhez hasonlóan Ψ r = e ikr, Ψ 2 r 1, r 2 = 1 2 eik 1r 1 e ik 2r 2 + e ik 1r 2 e ik 2r 1 N 1 k = S r, k Ψ r 2 d 4 r N 2 k 1, k 2 = S r 1, k 1 S r 2, k 2 Ψ 2 r 1, r 2 2 d 4 r 1 d 4 r 2 C 2 k 1, k 2 = N 2 k 1,k 2 S 1 + ሚ q,k N 1 k 1 N 1 k 2 ሚS 0,K ahol q = k 1 k 2, K = (k 1 +k 2 )/2 Egyszerűbben: C q = 1 + ሚS q 2, ahol ሚS q = S r e iqr Invertálható (?), azaz C q -ból S(r) rekonstuálható Közelítések: nincs más kölcsönhatás, nincsenek sokrészecske korrelációk, termikus emisszió, 2 Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 21/46

Bose Einstein-korrelációk és femtoszkópia HBT-jelenség: forrás alakja korrelációs függvény C k = 1 + ሚS k 2 Fourier-transzformált és eredeti függvény: egyértelmű kapcsolat! A korreláció elárulja a forrás térbeli alakját! Egyfajta mikroszkópként működik, hiszen térbeli alak rekonstruálható Akármilyen mérettartományban: teraszkóp,, femtoszkóp Sőt, időben változó források esetén az időbeli struktúra is kideríthető! Nagyon gyors változások észlelhetőek Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 22/46

Az eddigiek összegzése Mindennek van részecske- és hullámtulajdonsága A kvantumfizikában a fotonok megkülönböztethetetlenek Emiatt két foton hullámfüggvénye szimmetrikus Ebből adódik a Bose Einstein-korreláció A korreláció a forrás Fourier-transzformáltja A forrás alakja vizsgálható! Bozonok: Bose Einstein-korreláció Fermionok: Fermi Dirac-antikorreláció Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 23/46

Ősrobbanás a laborban Az Univerzum korszakai: Csillagok Atomok Atommagok Nukleonok Elemi részek? Hogyan vizsgáljuk? Mini ősrobbanás Nehéz atommagok nagyenergiás ütközése Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 24/46

Nehéz magok nagyenergiás ütközései Kezdetben extrém magas hőmérséklet, 5 10 12 Kelvin! Protonok, neutronok megolvadnak, Ősrobbanás utáni állapot jöhet újra létre Kvarkanyag kiszabadul, kvark-gluon-plazma formájában Ahogy lehűl, megfagy, igen rövid idő alatt A megfagyott részecskéket észleljük Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 25/46

Mit észlelünk mindebből? Csak a szétrepülő részecskéket! Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 26/46

Femtoszkópia a nagyenergiás fizikában Nagyenergiás fizika egyik fő célja: a hatalmas részecskegyorsítókban létrehozott mini ősrobbanásban keletkező anyag megismerése Hogyan férhetünk hozzá a keletkező anyag térbeli és időbeli struktúrájához, ha ilyen gyorsan megfagy? A kifagyott bozonok (pionok) HBT-korrelációi segítségével! Pionkeltés térbeli eloszlása: korrelációs függvényből hozzáférhető Lássuk, hogy néz ki mindez a valóságban Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 27/46

Hogyan mérjük a korrelációs függvényt? Párok impulzuseloszlása: sok effektus keveredése Detektorok akceptanciája Részecskék impulzuseloszlása, stb Eseménykeverés: valódi és kevert párok eloszlása, A(q) és B(q) Kevert párok: csak kvantumstatisztikai korreláció nincs C q = A(q)/B(q) Korrelácós fv. Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 28/46

A mérés kihívásai: splitting/merging Nyomkövetés (lásd Siklér Ferenc előadása): nyomok összekötése egy track rekonstruálásához Merging: közeli részecskék 1 trackként rekonstruálódnak Splitting: egy részecske 2 trackként rekonstruálódik Térbeli páreloszlásokon vágások alkalmazás Egy tracking detektor Egy PID detektor Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 29/46

A mérés kihívásai: háttérkeverés Alapötlet: vegyünk N pool háttéreseményt adott eseményosztályban (pl centralitás és Zvertex szerint) Legyen egy eseményünk N pionnal A módszer: párosítsunk minden piont az háttéresemény-pool minden pionjával B módszer: párosítsunk minden piont random eseményekből vett N random pionnal C módszer: készítsünk egyetlen kevert eseményt N random, különböző eseményből vett pionnal N pool N pool A módszer π π π π π π π π π π π π π π π π B módszer π π π π π π π π N pool π π π π π π π π C módszer π π π π π π π π π π π π π π π π π π π π π π π π π 30

Mi van a fenti, egyszerűsített képen túl? Néhány jelenség bonyolítja az előzőekben bemutatott egyszerű képet Nem statikus forrás: bonyult forrás és korrelációs fv. Végállapotbeli kölcsönhatások: Vizsgált bozonok közti erős kölcsönhatás Töltött bozonok közti elektromágneses kölcsönhatás Részecskék egy része rezonanciabomlásból keletkezik Jó néhány 50 fm/c-nél később elbomló részecske Ezek bomlástermékei máshogy korrelálnak Koordinátarendszer szerepe 1D vagy 3D impulzus függvényében mérjük C k -t? Mindezekből sok plusz információ nyerhető Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 31/46

Egy realisztikus forrásfüggvény Legyen a forrás S(r)~e r 2 x 2R2 r 2 y x 2R2 r z 2 y 2R2 z Ebből a Fourier-trafóval C k = 1 + e k x 2 R x 2 k y 2 R y 2 k z 2 R z 2 Általánosabb eset, v r sebességmező, T(r) hőmérsékleti eloszlás és n r sűrűség esetén: mv r p 2 S(r)~n(r)e 2mT(r) R Legyen v i = ሶ i r R i, n = n 0 e i r 2 x 2R2 r 2 y x 2R2 r z 2 y 2R2 z Ekkor C k = 1 + e k x 2 R x 2 k y 2 R y 2 k z 2 R z 2, ahol, T = T 0 R x 0 R y 0 R z 0 R x R y R z R i 2 = R i 2 1 + m T 0 ሶ R i 2 1 (azaz nem a geometria méret) Amit valójában mérünk: homogenitási hossz 1/κ Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 32/46

Végállapoti kölcsönhatások A kölcsönhatások elrontják az egyszerű C k = 1 + ሚS k 2 képet Töltött pionok: elég a Coulomb-kölcsönhatást venni Síkhullámok helyett oldjuk meg a Schr.-egyenletet, V r = α r Egyszerű közelítés, retardáció, átlagtér stb. nélkül Coulomb-hullámfüggvényt szimmetrizáljuk Ezzel C 2 k 1, k 2 = S r 1, k 1 S r 2, k 2 Ψ 2 C r 1, r 2 2 d 4 r 1 d 4 r 2 Bonyolult transzformáció, nehezen invertálható (lásd még László András unfolding előadását) Gyakran alkalmazott módszer: C Bose Einstein q = K q C mért q, ahol K q = S r 1,k 1 S r 2,k 2 Ψ 2 0 r 1,r 2 2 d 4 r 1 d 4 r 2 S r 1,k 1 S r 2,k 2 Ψ 2 C r 1,r 2 2 d 4 r 1 d 4 r 2 Feltevés a forrásra, Coulomb-kcsh leválasztása Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 33/46

Rezonanciabomlások Rezonancia-pionok: S r = S core r + S halo r Ekkor ሚS q = ሚS core q + ሚS halo q Core: primordiális pionok, 5-10 fm méretű regióból jönnek Halo: rezonanciabomlásokból, >50 fm távolságból Fourier: inverz szélesség, 50 fm 4 MeV/c (ħ = 197 MeV fm/c) ሚS halo q nagyon keskeny, gyakorlatilag nem mérhető Detektorok impuzusfelbontása rosszabb ennél Mérhető impulzusokra C q = 1 + λ ሚS q 2, ahol λ = S core S core Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 34/46

Érdekes eredmények a rezonancia-pionokkal Rezonancia-pionok pl η mezonból Királis szimmetria forró kvarkanyagban helyreállhat Ekkor az η tömege lecsökken Ebből sok pion keletkezik rezonanciabomlással A mag/glória arány lecsökken Lyuk a λ(m T ) függésben Közegbeli tömegmódosulás? Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 35/46

Korrelációs függvény illesztése, 1D példa Raw data: nyers korrelációs fv. Coulomb factor: korrekció a Coulombköncsönhatásra Illesztett paraméterek: a: alak l: erősség R: skála N,e: háttér Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 36/46

side Az out-side-long rendszer, HBT sugarak 1D változóban többnyire: q inv = q 2 = k 1 k 2 2 3 vagy 4D információ kinyerhető? Általánosságban: C 2 q = 1 + λe R μν 2 q μ q ν Pár-koordinátarendszer! Out: a pár átlagos transzverz imp. iránya Long: nyaláb-irány Side: mindkettőre merőleges Ekkor az átlagos side impulzus nulla, K side = 0 Tipikusan LCMS-ben (longitudinally comoving system) Nulla átlagos long. impulzus, i.e. K μ = (M t, K t, 0,0) Ekkor: q 0 = m 1t 2 2 m 2t 2M t, q out = p 1t 2 2 p 2t 2K t, q side = p 2xp 1y p 1x p 2y, q K 0 = E 2p 1z E 1 p 2z t M t Tömeghéjfeltétel: q μ K μ = 0 q 0 = K t q M out = β t q out t Az R 2 μν mátrixból R out, R side, R long nem nulla: HBT sugarak Szögfüggés vizsgálata: R os is megjelenik Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 37/46

Példa 3D korrelációs függvények C q out, q side, q long mérése, 3D illesztés, sugarak 3D-ben Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 38/46

out A kibocsátás időtartama Időfüggő forrás, Δτ kibocsátási időtartam S(r, τ)~e τ τ 0 2Δτ 2 Jelentése: kifagyás τ 0 sajátidő környékén Egyszerű hidrodinamikai eredmény: 2 R out = R2 1+ m + β t T0 u t 2 t 2 Δτ 2 2 side 2 R side = R2 1+ m t T0 u t 2 Skálázás m t változóban RHIC: out és side irányú sugarak kb megegyeznek! Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 39/46

Elsőrendű fázisátalakulás kizárva! Out-side különbség: pionkeletkezés időtartama Elsőrendű fázisátalakulás: Out» Side Hidrodinamikai jóslat: Out Side ~50 modell rossz: HBT rejtély Kísérlet: Out Side Azonnali kifagyás Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 40/46

A kvark-hadron fázistérkép Maganyag vs. kvarkanyag: átalakulás hol és miként? Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 41/46

Másodrendű fázisátalakulás? Másodrendű fázisátalakulások esetén: kritikus exponensek A kritikus pont környékén Fajhő ~ ((T-T c )/T c ) -a Szuszepcibilitás ~ ((T-T c )/T c ) -g Korrelációs hossz ~ ((T-T c )/T c ) -n A kritikus pontban Térbeli korrelációs függvény ~ r -d+2-h Ginzburg-Landau: a=0, g=1, n=0.5, h=0 QCD 3D Ising modell, h=0.05 Random tér hozzáadása esetén: h=0.5 Ez az exponens a térbeli eloszlás alakjától függ: mérhető! Kritikus pontban az alak-kitevő 0.5 Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 42/46

A kritikus pont keresése Kétrészecske korreláció (térbeli) Újraszórás anomális diffúzió, Általánosított határeloszlás-tétel Nem Gauss hanem Lévy eloszlás! Lévy(R,a): Fourier[exp(- Rq a )] Korrelációs exponens = Lévy index α Másodrendű fázisátalakulás: α = 0.5 Rács-QCD: nagy energián cross-over Alacsony energián α mérendő! Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 43/46

A kritikus pont keresése Lévy HBT-vel Lévy exponens α: α = 2 (Gauss), α = 1 (Cauchy), α = 0.5 (CEP) Mérések sok energián folyamatban Legközelebb a Cauchy-hoz Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 44/46

A kritikus pont keresése Ugyanakkor a kritikus pontban más, nem-monoton viselkedések is felfedezhetőek Out-side különbség ill. side mínusz átlag alakulása pl: Kritikus pont s NN = 40 TeV környékén? Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 45/46

A HBT sugarak részecske- és impulzusfüggése Transzverz tömeg skálázás jól látható Enyhe eltérés kaon- és pionpárok között Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 46/46

A HBT sugarak méretfüggés Résztvevő nukleonok száma: rendszer kezdeti térfogata HBT sugarak: kezdeti lineáris mérettel skáláznak Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 47/46

A HBT sugarak méretfüggése Vezessük be a kezdeti nukleoneloszlás σ x,y szélességeit Kezdeti transzverz méret: 1 തR 2 = 1 σ x 2 + 1 σ y 2 Ezzel való skálázás jobb: HBT sugarak erre érzékenyebbek Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 48/46

Összegzés Brown és Twiss: interferenciajelenség Bose és Einstein: kvantumstatisztika HBT effektus: bozonok szimmetriája miatt korreláció Fermionok: Fermi Dirac-statisztika, antikorreláció Korreláció forrás alakja; femtoszkópia Mini ősrobbanás feltérképezhető 10-14 méter méret 10-22 mp élettartam 10-23 mp kifagyási idő Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 49/46

Köszönjük a figyelmet! A témában diákok jelentkezését várjuk az Atomfizikai tanszéken Csanád Máté http://csanad.web.elte.hu/ 50/46