Kvantum-optikai módszerek a nagyenergiás fizikában Csörgő Tamás Department of Physics, Harvard University, Cambridge, MA MTA KFKI RMKI, Budapest A HBT effektus GGLP, BEC Bevezetés a gyorsítók világába Femtoszkópia Alkalmazások
A RHIC gyorsító és a 4 RHIC kísérlet STAR
LHC: Nagy Hadron Ütköztető 6+1 kísérlettel 27 km hosszú alagút 100 méterrel a felszín alatt 2 K hőmérsékletű He 8.3 T mágnesek MoEDAL LHCf TOTEM
RHIC: Tervek 2000 (és 2010) környékén Kihasználni a RHIC példátlan képességeit Nagy s Megbízható pqcd szondák rendelkezésre állása A ütközési barionok tiszta szétválaszása a glue -tól Döntő kísérleti evidencia találása a QGP létezése mellett/ellen Polarizált p+p ütközések Két kisebb és két nagyméretű detektor Ezek egymást kiegészítő, de átfedésekkel is rendelkező képességek Kis detektorok 3-5 év élettartammal: BRAHMS, PHOBOS Nagy detektorok ~ Nagyberendezések: PHENIX, STAR Komoly összegű beruházásokkal Hosszú élettertamok (20+ év, 3. generációs PHENIX tervezés alatt) Lehetőség az elért felfedezések alapján kezdeményezett fejlesztésekre ( 2010: Luminozitásnövelés alacsony energián, QCD kritikus pont keresése, direkt fotonok, elektron-ion collider...)
Azóta A RHIC gyorsító komplexum Rutinszerű működés a tervezett luminozitás 2-4-szeresével (Au+Au A működési módok rendkívüli változatosságával Ütközési nyalábkombinációk: Au+Au, d+au, Cu+Cu, pp+pp Energiák: 22 GeV (Au+Au, Cu+Cu, pp+pp), 7,7, 32, 56 GeV (Au+Au), 62 GeV (Au+Au,Cu+Cu, pp+pp), 130 GeV (Au+Au), 200 GeV (Au+Au, Cu+Cu, d+au, pp+pp), 410 GeV (p+p), 500 GeV (pp+pp) Kísérletek: Sikeresek! PHOBOS és BRAHMS adatfelvétele 2005-ben lezárult Tudományos eredmények: 350+ referált közlemény, ebből 120+ PRL Jelentős felfedezések A jövő alapjai: Bizonyított képesség a PHENIX és STAR detektorok fejlesztésére Kulcsfontosságú tudományos kérdések meghatározása A gyorsítókomplexum és a kísérletek detektorrendszereinek bővítés a 2. fázisba léptünk az újabb tud. célok elérésére a QCD kritikus pontja: előkészület alatt a 3. fázis (5-10 év)
Nyelvezet A közösen használt alapvető nukleáris tulajdonságok A, Z A nehézionfizika specifikus mennyiségei v2 RAA Azimutális anizotrópia - Fourier együttható- elliptikus folyás Nukleáris modifikációs faktor, értéke 1 ha nincs magfizikai hatás T Hőmérséklet (MeV) µb Barion kémiai potenciál (MeV) ~ nettó barion sűrűség η Viszkozitás ( MeV 3 ) s Entrópiasűrűség ( MeV 3 ) ~ részecske sűrűség
Első mérföldkő: új jelenség A RHIC-nél a nagy transzverzális momentumú részecskekeltés jelentős elnyomása az Au+Au ütközésben a PHENIX felfedezése
Második mérföldkő: az anyag új formája d+au: nincs elnyomás Nem nukleáris effektus Au+Au: Az anyag új formája!
Harmadik mérföldkő: Top Physics Story '05 http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0410003 930+ hivatkozás 5 év alatt
Negyedik Mérföldkő: A kvarkfolyadék A φ mezon v2 értéke követi a többi mezonét hadron v2 hadron K ET hadron K ET quark quark K ET nv2 quark nk ET A D mezon v2 értéke követi a többi mezonét A ritka és a bájos kvarkok is részt vesznek a folyásban
Ötödik Mérföldkő: A tökéletesség limitált! Minden eddigi realisztikus hidrodinamikai számítás a RHIC folyadékra 0 viszkozitást tételezett fel ℏ ℏ η = 0 tökéletes folyadék η Entropy Density s 4π 4π Azonban létezik egy (feltételezett) quantum limit: A Viscosity Bound Conjecture, P. Kovtun, D.T. Son, A.O. Starinets, hep-th/0405231 Hogy viszonyulnak a rendes folyadékok ehhez a limithez? (4 π) η/s > 10! RHIC tökéletes folyadék (4 π) η/s ~1 (4π) A legforróbb (T > 4 Terakelvin) és a legtökéletesebb valaha előállított folyadék
Az erős kölcsönhatás halmazállapotai A RHIC energiáin az ütköző protonok és neutronok megolvadnak A korai Világegyetemben néhány mikromásodperckori halmazállapot 2 e SB T = p N 7 /8N fermions T 4 30 bosons Quark Gluon Plasma Hadron Tc ~ 170 MeV; ε ~ 1 GeV/fm3 Megmértük a reakciók kezdeti hőmérsékletét (PHENIX PRL 104, 132301 (2010) ) Vajon Tinit magasabb-e, mint Tc ~ 170 MeV? 12
6. mérföldkő: a kezdeti hőmérséklet A.Adare et al. ArXiv:0912.0244 PHENIX Collab PRL 2010, PRC 2010 in print TAuAu (fit) ~ 220 MeV TC from Lattice QCD ~ 170 MeV Az adatokból közvetlenül: Tini > TAuAu ~ 220 MeV Modellszámításokból: Tini = 300-600 MeV, ha τ0 = 0.15-0.6 fm/c Rács QCD számolásokból, és a Hagedorn spektrumból: Tc ~ 170 MeV 13
A RHIC felfedezések fénye: A RHICnél talált kvarkanyag igen forró, nem hadronikus, folyadék természetű ~ tökéletesen folyik nagyon opálos
A QGP/RHIC publikáció visszhangja
Mi is a RHIC tízéves terve? ALD Steve Vigdor has charged PHENIX and STAR to write decadal plans due August 1, 2010. 1. Summarize detector upgrades underway and to be utilized in the next 5 years. 2. Compelling science beyond 5++ years that require additional detector upgrades and machine capabilities. 3. Prioritize the physics and the upgrades above. 4. Discuss the option of an electron beam in the tunnel and thus an ephenix and estar in the MeRHIC and EIC era. 5. Discuss the evolution of the collaboration and experimental effort.
Az LHC kísérletei dióhéjban 7 LHC kísérlet: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf, MoEDAL, TOTEM Három 1000+ fős kísérlet: ALICE, ATLAS, CMS Három 100- fős kísérlet: LHCf, MoEDAL, TOTEM Az LHCb e két csoport között 730 fővel (kb PHENIX + STAR) Magyar csoportok: ALICE, CMS, TOTEM ALICE: 31 ország, 111 intézet, 1000 fő, nehézion + részecskefiz. ATLAS: 37 ország, 173 intézet, 3000 fő, részecske + nehézionfiz. CMS: 38 ország, 183 intézet, 2500+ fő, részecske + nehézion LHCb: 15 ország, 54 intézet, 730 fő, részecskefizika (CP sértés) LHCf: 6 ország, 13 intézet, 32 fő, részecske +kozmikus fizika MoEDAL: 6 ország, 9 intézet, 23 fő, monopolus és egzotika rf. TOTEM: 7 ország, 10 intézet, 70 fő, részecske +kozmikus fizika
Az LHC beindulása 2009. nov. 23. első ütközések 900 GeV-en Kb. 400 ezer ütközés 2009. dec. 14. első ütközések 2.36 TeV-en Kb. 20 ezer ütközés 2010. márc 30. első ütközések 7 TeV-en addig több mint 50 M ütközés (terv: 1000 M/sec) 2009. Első LHC nyaláb a CMS-ben (Veres G.)
A CMS első publikációja Az első publikált eredmény 2.36 TeV-en Az első publikált impulzusmérés az LHC-nél Az eredmények követik a régebbi kísérletek adatai által mutatott trendet A keletkezett részecskék száma gyorsabban nő az energia függvényében, mint gyakran használt modellek jósolták. A cikk bemutatja hogy a CMS detektor készen áll a következő hosszú adatfelvételre A detektor kiválóan működött már a legelső órában, és nagyon jó minőségű adatokat rögzített. Ez a kezdete a CMS hosszú és érdekesnek ígérkező fizikai programjának! JHEP 02 (2010) 041 31 Csörgő T.
Első CMS eredmények: szögeloszlás (dn/dη) Az átlagolt és szimmetrizált ieredmények. Összehasonlítás az UA5 és ALICE kísérletek adataival. JHEP 02 (2010) 041 A három módszer összehasonlítása 0.9 TeV és 2.36 TeV energián. 30 Csörgő T.
Az ALICE első publikációja Phase 1: rediscovering the standard model to E ted t i m sub P JC 2 2 ov 8N 009 (QCD in the case of ALICE) The average number of charged particles created perpendicular to the beam in pp collisions at 900 GeV is: dn/dη = 3.10 ± 0.13 (stat) ± 0.22 (syst) π National Geographic News (4 Dec.).a machine called ALICE... found that a (!) proton-proton collision recorded on November 23 created the precise ratio of matter and antimatter particles predicted from theory.. This is the first (and easiest) of many numbers we need to (re)measure to last time measured at the ISR for pp 37 get confidence in our detectors, tune the simulations, study background,... Phase 2 is still a long way to go.. 17/12/2009 CERN J. Schukraft Csörgő T.
Az első LHC ütközések a TOTEM kísérletben Élenjáró Protonok az IP5-től -220 és -147 m-re RP147, RP220 Pa tch Pa ne ls IP 5 Se rvi ce Fr s ro om ut Ca ing sto : r to Ra ck s T2 T2 T1 CM S területi területi áttekintés területiáttekintés áttekintés Inelasztikus Teleszkópok - Rapidity gaps - Forward particle flows T2 Pa T1 tch P an els Se rvi ce Fr s ro om uti Ca ng sto : r to Ra ck s T2 RP147, RP220 Élenjáró Protonok az IP5-től +147 és +220 m-re
Diffraktív folyamatok Diffraktív folyamatok és hatáskeresztmetszetek (Tevatron mérte 1.8 TeV-en, LHC méri majd 10-14 TeV-en)
2009 egyik legszebb pillanata R. Glauber a TOTEM magyar csoportjával
Hogyan tovább? LHC tervek 2010: 7 TeV, 100-200 pb-1 Nehézion-ütköztetés: 4 hét, 10-100 M esemény Téli szünet 2011: 2012: 2013: 2014: 2015: 7 TeV, 1 fb-1 1 év technikai szünet 13 TeV tervezett lumi. 25% 13 TeV tervezett lumi. 40% 14 TeV Tervezett luminozitás: 1034 cm-2 s-1 Jelenlegi luminozitás: 1028 cm-2 s-1 (800 Hz ütközési frekvencia)
Köszönet: DOE, Fulbright, HAESF, MTA, NSF,OTKA ++
Erősen kölcsönható anyagok Ultra-hideg atomos 6Li gáz Tökéletesen folyó Kvark-Gluon Plazma (RHIC) Nagy Tc- Szupravzetők Neutron anyag Fekete lyukak a húrelméletben Erősen csatolt 6Li gáz, T = 10-7 K J. Thomas et al, Science (2002) Kvark-gluon plazma, T>4x1012 K Hasonló Elliptikus folyási kép
An old/new look at the stars Intensity interferometry in radio astronomy Angular diameter of a main sequence stars R.Hanbury Brown
R. Hanbury Brown and R. Q. Twiss Engineers, worked in radio astronomy In fact two people: Robert Hanbury Brown and Richard Q. Twiss Robert, Hanbury and Richard: all given names Interference between two different photons can never occur. P. A. M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, Oxford, 1930 In fact to a surprising number of people the idea that the arrival of photons at two separated detectors can ever be correlated was not only heretical but patently absurd, and they told us so in no uncertain terms, in person, by letter, in print, and by publishing the results of laboratory experiments, which claimed to show that we were wrong I was a long way from being able to calculate, whether it would be sensitive enough to measure a star. To do that one has to be familiar with photons and as an engineer my education in physics had stopped far short of the quantum theory. Perhaps just as well, otherwise like most physicists I would have come to the conclusion that the thing would not work ignorance is sometimes a bliss in science
Bose-Einstein or HBT correlations Two plane-waves: Bosons: need for symmetrization source S(x,k) k2 k1 Ψ1,2 x1 x2 Spectrum: detector S(x,k) is the source distribution Two-particle spectrum (momentum-distribution): Approximations: Plane-wave, no multiparticle symmetrization, thermalization
Again, what brings us all this? If the source is approximated with Gaussian: Then the correlation function is also Gaussian: These are the so-called HBT radii If transformed to the out-side-long system (not invariant) Out: direction of the mean transverse momentum of the pair Side: orthogonal to out Long: beam direction Not necessarily reflecting the geometrical size Take a hydro model of an expanding ellipsoid
Interesting new directions Azimuthally sensitive HBT (STAR, PHENIX) Source imaging (PHENIX, STAR) Multiparticle correlations (STAR, PHENIX) Non-identical correlations (STAR) Rapidity dependent HBT (PHOBOS) Photon HBT (STAR, PHENIX) Non-Gaussian form (L3, PHENIX, STAR, ALICE, CMS) S. Hegyi, T. Cs., W. A. Zajc, L3, STAR,... Pion lasers S. Pratt, Q.H. Zhang, T. Cs, J. Zimányi, Yu. Sinyukov... Mass-modification, squeezing M. Asakawa, T. Cs., M. Gyulassy, Y. Hama, S. Padula,... Search for axial UA(1) symmetry restoration, λ(pt) S. Vance, T. Cs., D. Kharzeev, R. Vértesi, J. Sziklai
Non-Gaussian distributions The source does NOT have to be Gaussian Non-Gaussian tails Low-q bins One can check, if the correlation function is really Gaussian or not The Gaussian assumption can potentially cause results to be meaningless
Squeezed back-to-back correlations
PHENIX back-to-back correlations M. Nagy for PHENIX, WPCF 2009, CERN
Possible implications M. Nagy for PHENIX, WPCF 2009, CERN