Bevezetés a nehézion-fizikába (Introduction to heavy ion physics) Veres Gábor (CERN-PH és ELTE) Hungarian Teachers Programme CERN, 2015. augusztus 20. vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 1
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, 2015. aug. 20. 2
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, 2015. aug. 20. 3
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, 2015. aug. 20. 4
Fázisdiagram: erősen kölcsönható anyag vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 5
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, 2015. aug. 20. 6
Nehézion-ütközés laboratóriumban vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 7
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, 2015. aug. 20. 8
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, 2015. aug. 20. 9
A nehézion-ütközések globális jellemzői vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 10
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, 2015. aug. 20. 11
Kémiai összetétel vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 12
Fázisdiagram RHIC SPS AGS vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 13
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, 2015. aug. 20. 14
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, 2015. aug. 20. 15
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 (0.5-0.7c) vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 16
Elliptikus folyás dn d( RP ) N 0 1 2v cos( ) 2 cos 2 1 2 2 RP v RP... vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 17
Hidrodinamikai értelmezés Hydrodynamic limit STAR PHOBOS RQMD Centrális ütközések: gyors termalizáció, tökéletes folyadék Periférikus ütközések: nem teljes termalizáció Hadronikus modell nem tudja leírni (RQMD) vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 18
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, 2015. aug. 20. 19
Dileptonok Az ütközés korai szakasza Nem hatnak erősen kölcsön vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 20
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, 2015. aug. 20. 21
Elnyomás mérése Összehasonlítás p+p ütközésekkel: Ha nincs módosulás, akkor R AA =1 SPS RHIC rekombináció? vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 22
Y elnyomás vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 23
Kemény szórások felhasználása vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 24
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, 2015. aug. 20. 25
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, 2015. aug. 20. 26
Jet-ek: mennyire erősen kölcsönható ez az anyag? vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 27
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, 2015. aug. 20. 28
Hogyan jellemezhető a jet-ek energiavesztesége kalibrált módon? Pb+Pb??? vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 29
Hogyan jellemezhető a jet-ek energiavesztesége kalibrált módon? Pb+Pb vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 30
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, 2015. aug. 20. 31
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, 2015. aug. 20. 32
(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, 2015. aug. 20. 33
p+pb ütközések: 2013. jan-feb. Referencia-mérés (?) vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 34
Jet-pár egy p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 35
Jet-pár egy p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vezető jet: E T = 170.3 GeV Jet párja: E T = 166.9 GeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 36
J/ψ jelölt p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 37
ϒ(1S) jelölt p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 38
Z jelölt (+jet) p+pb ütközésben, snn = 5 TeV vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 39
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, 2015. aug. 20. 40
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, 2015. aug. 20. 41
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, 2015. aug. 20. 42
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 vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 43
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, 2015. aug. 20. 44
EXTRA vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 45
Időfejlődés vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 46
Mennyi energiát vesztenek a jet-ek? p+p Pb+Pb??? vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 47
Jet-ek nukleáris módosulási faktorai PbPb PbPb Elnyomás: nincs szignifikáns p T függés vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 48
Töltött hadronok, R AA PbPb PbPb vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 49
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, 2015. aug. 20. 50
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, 2015. aug. 20. 51
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, 2015. aug. 20. 52
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, 2015. aug. 20. 53
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-12-003 vg@ludens.elte.hu Hungarian Teachers Programme, CERN, 2015. aug. 20. 54
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, 2015. aug. 20. 55