rozkłady pędów poprzecznych cząstek produkowanych w zderzeniach au+au przy energiach rhic

37
1 Adam Trzupek Zakład Oddziaływań Jądrowych Wysokich Energii Instytut Fizyki Jądrowej PAN Kraków Rozkłady pędów poprzecznych cząstek produkowanych w zderzeniach Au+Au przy energiach RHIC

Upload: duke

Post on 19-Mar-2016

48 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Rozkłady pędów poprzecznych cząstek produkowanych w zderzeniach Au+Au przy energiach RHIC. Adam Trzupek Zakład Oddziaływań Jądrowych Wysokich Energii Instytut Fizyki Jądrowej PAN Kraków. Plan referatu. Zderzenia relatywistycznych ciężkich jonów przewidywania chromodynamiki kwantowej - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

1

Adam Trzupek

Zakład Oddziaływań Jądrowych Wysokich EnergiiInstytut Fizyki Jądrowej PAN

Kraków

Rozkłady pędów poprzecznych cząstek produkowanych w zderzeniach Au+Au

przy energiach RHIC

Page 2: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

2

• Zderzenia relatywistycznych ciężkich jonów przewidywania chromodynamiki kwantowej

akcelerator RHICeksperyment PHOBOS

• Produkcja , K, p i p o małych pT rekonstrukcja i identyfikacjarozkłady pT w Au+Au i d+Auporównanie z przewidywaniami modeli

• Produkcja cząstek naładowanych o dużych pTtłumienie produkcji w zderzeniach Au+Au

• Podsumowanie

Plan referatu

Page 3: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

3

Celem fizyki relatywistycznych ciężkich jonów jest badanie materii o dużej gęstości energii

Jądro Au Jądro Au

t =- kilka fm/c

t = 0 fm/c t = + kilka fm/c

gęstość energii w obszarze oddziaływania : RHIC ~ 5 GeV/fm3

gęstość energii w materii jądrowej: Au ~ 0,15 GeV/fm3

Skrócenie Lorentza (RHIC), = 108

Page 4: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

4

Przy bardzo dużej gęstości energii kwarki i gluony są uwolnionePrzejście do plazmy kwarkowo-gluonowej (QGP) Krytyczna gęstość energii i temperatura (QCD, B=0): c ~ 1 GeV/fm3

Tc ~ 192 MeV (~2 1012 K)

Przewidywania Chromodynamiki Kwantowej (QCD)

1975 - 2001 (przed RHIC) Przewidywany słabo sprzężony stan plazmy kwarkowo- gluonowej (wQCD) Właściwości QGP podobne do właściwości idealnego gazu

RHIC >> c Korzystne warunki na utworzenie QGP w RHIC

2001 - 2007 (rezultaty z RHIC) Odkryto SILNIE sprzężony stan plazmy kwarkowo- gluonowej (sQCD) Właściwości QGP podobne do właściwości idealnej cieczy

Page 5: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

5

Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)

sNN (GeV)RHIC: 200SPS: 17

Obwód = 3800 ml. magnesów =1740

Page 6: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

6

Współpraca

Burak Alver, Birger Back, Mark Baker, Maarten Ballintijn, Donald Barton, Russell Betts, Richard Bindel,

Wit Busza (Spokesperson), Zhengwei Chai, Vasundhara Chetluru, Edmundo García, Tomasz Gburek,

Kristjan Gulbrandsen, Clive Halliwell, Joshua Hamblen, Ian Harnarine, Conor Henderson, David Hofman, Richard Hollis, Roman Hołyński, Burt Holzman, Aneta Iordanova, Jay Kane,Piotr Kulinich,

Chia Ming Kuo, Wei Li, Willis Lin, Constantin Loizides, Steven Manly, Alice Mignerey, Gerrit van Nieuwenhuizen, Rachid Nouicer, Andrzej Olszewski, Robert Pak, Corey Reed,

Eric Richardson, Christof Roland, Gunther Roland, Joe Sagerer, Iouri Sedykh, Chadd Smith, Maciej Stankiewicz, Peter Steinberg, George Stephans, Andrei Sukhanov, Artur Szostak, Marguerite Belt Tonjes, Adam Trzupek, Sergei Vaurynovich, Robin Verdier, Gábor Veres, Peter Walters, Edward Wenger, Donald Willhelm, Frank Wolfs, Barbara Wosiek, Krzysztof

Woźniak, Shaun Wyngaardt, Bolek Wysłouch

ARGONNE NATIONAL LABORATORY BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORYINSTITUTE OF NUCLEAR PHYSICS PAN, KRAKOW MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY

NATIONAL CENTRAL UNIVERSITY, TAIWAN UNIVERSITY OF ILLINOIS AT CHICAGOUNIVERSITY OF MARYLAND UNIVERSITY OF ROCHESTER

Page 7: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

7

PHOBOS

1m

Page 8: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

8

PHOBOS - detektor wyzwalania

1m

Detektor wyzwalania Triger

3 <||<4,5 = -ln tan(/2)

Page 9: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

9przedziały centralności: 0-6% , 6-15% ,...

Detektor wyzwalania - Pomiar centralności

<Npart>0-6% , <Ncoll>0-6% , ...

Model AA + Geant (detektor)

Au+Au, 200 GeV Wyznaczanie Npart i Ncoll:

Au Au

Detektor „wyzwalania”

3 <||<4.5

Npart liczba nukleonów oddziaływujących nieelastcznie

Ncoll liczba nieelastycznych oddziaływań NN w AA

Centralne Peryferyczne

Page 10: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

10

PHOBOS – detektor krotności

Detektor krotności Oktagon

Detektor krotności Pierścienie

- 5,4 < < 5,4

Page 11: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

11

PHOBOS – spektrometr i TOF

Spektrometr

Liczniki czasu przelotu

Magnes

Page 12: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

12

Spektrometr detektora PHOBOS

• 16 warstw krzemowych/ ramię , 2-39 płytek krzemowych / warstwę• precyzyjny pomiar: X, dE (~300 m)• układ płytek i pole B dostosowane do pomiaru cząstek o małych pT, • różne rozmiary komórek krzemowych (5 typów)• blisko punktu oddziaływania

B -2T

B 2T

70 cm

Page 13: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

13

Rozkłady pędów poprzecznych w zderzeniach AA

Małe pT (< 0,2 GeV/c)

Małe i średnie pT (< 2 GeV/c)

Duże wartości pT (2 - 5 GeV/c)

Przewidywano wzmocnienie produkcji cząstek z powodu NOWYCH długo-zasięgowych zjawisk

• wQGP - duży obszar źródła cząstek

Oczekiwano modyfikacji rozkładów pT zależnej od masy hadronów na skutek poprzecznej kolektywnej ekspansji

• odwrotność nachylenia rozkładu, rośnie z mh

Przewidywano tłumienie produkcji hadronów w centralnych AA• duże strat energii partonów w gęstej materii

2

2 Th

foeffmTT

, dla pT << mh

Page 14: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

14

Pomiary pT cząstek w eksperymencie PHOBOS

Eksperyment PHOBOS posiada unikalną możliwość pomiaru cząstek o bardzo małych pędach poprzecznych: 30 - 200 MeV/c

Au+Au, 200 GeV centrality: 0-15% mid-rapidity

PHOBOS: PRC 70 (2004) 051901 PLB 578 (2004) 297

małe p

Tśrednie p

T

duże pT

Hadrony są mierzone w zakresie pT: od 30 MeV/c – 5 GeV/c

ładunekPID: masa + ładunek

0.03 0.2 ~ 2.0 pT (GeV/c)

masa (++ -) (K++ K-) (p + p)

gęstość cząstek

, K, p i p h+, h-

Page 15: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

15Czas przelotu:separacja /K: do 2,0 GeV/c

p/p: do 3,5 GeV/c

Pomiar pędu i identyfikacja cząstek o pT > 0,2 GeV/c

Zakrzywienie trajektorii w polu magnetycznym pozwala wyznaczyć ładunek i pęd cząstki (0,2 – 5 GeV/c)

Pęd:

Identyfikacja cząstek:

dE/dx w Si:separacja /K: do 0,6 GeV/c

p/p: do 1,5 GeV/c

p

K

p

K

Page 16: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

16

Procedura rekonstrukcji cząstek o pT < 0,2 GeV/c(zakres małych pT: 30 – 200 MeV/c)

X [c

m]

12

345 6

Z[cm]

rura berylowa

0 10 20

. .

.

Z [cm]

Szukamy cząstek zatrzymujących się w warstwie nr 5

dE ~ 10 MIP

~1 cząstka na 100 przyp.

pole mag. B 0 (++ -) (K++ K-) (p + p)

Identyfikacja cząstek o małych pT

< E dE/dx > mh( mh2 (1/2)funkcja Bethe-Bloch

Etot = dEi , i = 1, ... ,5

< E

dE/d

x >

Page 17: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

17

Niezmienniczy rozkład pędów poprzecznych:1/(2pT) d2N/dydpT

Wyznaczono rozkłady pT dla następujący danych doświadczalnych (małe pT) :

sNN (GeV)

centralność liczba przypadków

Au+Au 200 0 – 15% 2 M

Au+Au 62,4 0 – 50% 5 M

d+Au 200„minimum

bias” 10 M

Page 18: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

18

Rozkłady pędów poprzecznych w centralnych zderzeniach Au+Au o energii sNN=200 GeV

pT= 30 — 50 MeV/c piony

90 — 130 MeV/c kaony

140 — 210 MeV/c protony

y 0 (mid-rapidity)

PRC C70, 051902 (R) (2004) T

Page 19: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

19

„wypłaszczenie” rozkładu pT dla (p+p) przy małych pT jest zgodne z poprzeczną, kolektywna ekspansja systemu

Produkcja cząstek o małych pT w centralnych zderzeniach Au+Au, sNN = 200 GeV

T= 229 MeV dla (++-) 293 MeV dla (K++K-) 392 MeV dla (p + p)

12

1)/exp(121 BET

TTTmA

dydmNd

m

mT = pT2+mh

2

PRC C70, 051902 (R) (2004)

brak wzmocnienia produkcji pionów o małych pT

Page 20: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

20

Rozkłady pT w oddziaływaniach Au+Au przy energii sNN = 62,4 GeV

Parametry modelu „fali uderzeniowej”(blast wave):

0-15%: Tfo = 103 MeV, T = 0,78 c15-30%: Tfo = 102 MeV, T = 0,76 c30-50%: Tfo = 101 MeV, T = 0,72 c

(

2p T

)1d2 N

/dyd

p T[c

2 /GeV

2 ] (

2p T

)1d2 N

/dyd

p T[c

2 /GeV

2 ]

(2

pT)

1 d2 N

/dyd

p T[c

2 /GeV

2 ]

Semi-peryferyczne

Centralne

Nucl. Phys. A774 (2006) 469

Semi-centralne

Page 21: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

21

„Wypłaszczanie” rozkładu mT (p+p),największe przy małych pT

Kształt widm mT podobny dla mT > 1,8 GeV/c2

(2p

T)1 d

2 N/d

ydp T

[c2 /G

eV2 ]

Tlo

c[GeV

/c2 ]

Rozkłady mT w oddziaływaniach Au+Au sNN= 200 GeV

mT = pT2+mh

2

PRC C70, 051902 (R) (2004)

Page 22: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

22

Eksperyment kontrolny d+Au

d +Au:

brak gęstej materii

Au+Au:

gęsta materii

Doświadczenia z deuterem pozwalają badać wpływ gęstej materii na mierzone wielkości fizyczne

Page 23: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

23

Rozkłady mT w oddziaływaniach d+Au sNN= 200 GeV

Po przeskalowaniu rozkładu mT kaonów o czynnik 2, widma mT dla (+

+-), (K++ K-), (p + p) są podobne

Brak efektu „wypłaszczania” widm mT w d+Au

Efekt „wypłaszcznia” widm mT w Au+Au może powstawać na skutek oddziaływań w gęstej materiiT l

oc[G

eV/c

2 ]

Nucl. Phys. A774 (2006) 469

Page 24: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

24

Przewidywania modeliP. Kolb, R. Rapp; PRC 67 (2003) 044903

Hydrodynamiczne symulacje z porzeczną ekspansją dobrze opisują dane doświadczalne w przedziale pT: 0,03 – 1,5 GeV/c

Modele hydrodynamiczne z idealną cieczą dobrze opisują produkcję cząstek przy małych i średnich pT

W. Florkowski, W. Broniowski, PRL 87 (2001) 272302D. Prorok; PRC 67 (2006) 064901

„Cracow Single Freeze-Out Model”

Page 25: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

25

parton

Jądro Au

t =- kilka fm/c

Partony znajdują się w jądrach

parton

t = 0 fm/c

Twarde oddziaływanie

partonów

t = + kilka fm/c

hadronizacja

„jet” hadronów

“wiodący” hadron o dużym pT

t = + kilka fm/c

Rozproszone partonyprzechodzą przezgęstą materię

Twarde oddziaływania partonów występują we wczesnej fazie zderzenia AA

Detektor

Jądro Au

Jeżeli rozproszone partony tracą znaczną część energii,to liczba „wiodących” hadronów o dużych pT

będzie malała (efekt tłumienia produkcji)

Produkcja hadronów o dużych pędach poprzecznych

Page 26: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

26

Rozkłady pędów poprzecznych naładowanych hadronów ( h+ + h- ) (PHOBOS)

Większość cząstek w zderzeniu AA jest produkowana z małymi i średnimi pędami poprzecznymi

~0,1% cząstek o pT> 2 GeV/c

0.2<y<1.4

PLB 578 (2004) 297

Page 27: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

27

Czynnik modyfikacji jądrowej RAA

skalowanie z Ncoll

ddpNdN

ddpNdRT

NNcoll

TAA

AA //

2

2

Ncoll - liczba nieelastycznych

zderzeń NN w AA

wzmocnienie produkcji efekt Cronina

p+A, FNAL

tłumienie produkcjioddziaływania z gęstą

materiąAu+Au, RHIC

RAA = 1 RAA > 1

RAA < 1

brak efektów jądrowych obecność efektów jądrowych

Page 28: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

28

Tłumienie produkcji w zderzeniach Au+Au (PHOBOS)(h++h-), sNN = 200 GeV

skalowanie z Ncoll

RAuAu maleje przy wzroście centralności

Najsilniejsze tłumienie obserwuje się w najbardziej centralnych zderzeniach

duże pT, RAuAu 0,3 <<1

PLB 578 (2004) 297pT (GeV/c)

25-35% 15-25%

6-15% 0-6%

RAuAu

semi-perferyczne

centralne

1 d2 NAuAu / dpTd

<Ncoll> d2 NNN / dpTd

RAuAu =

45-50% 35-45%

Page 29: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

29

dla dużych pT: RAA > 1 dla sNN = 17,3 GeV

RAA < 0,2 dla sNN = 200 GeV

“gładka” zależność RAA od energii

RAA 2

1

0

Centralne zderzenia Pb+Pb i Au+Au, mid-rapidity

Zależność RAA od energii

sNN (GeV)

WA98

PRL 94 (2005) 082304

10 100

Page 30: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

30

Eksperyment kontrolny d+Au (PHOBOS)

Brak tłumienia produkcji hadronów naładowanych o dużych pT w zderzeniach d+Au w całym zakresie centralności

RdAu~1 dla pT > 2 GeV/c

PRL 91 (2003) 072302

RdAu

Au+Au

Tłumienie produkcji hadronów w centralnych zderzeniach Au + Au przy energii 200 GeV jest wynikiem oddziaływań partonów w gęstej materii.

słaby wzrost RdAu z Ncoll

(h++h-), d+Au, sNN = 200 GeV, 0,2 < y < 1,4

Page 31: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

31

Mechanizm tłumienia produkcji hadronów o dużych pT w centralnych zderzeniach Au+Au, sNN = 200 GeV

Duże straty energii, dE/dx, partonów poruszających się w gęstej materii(bremsstrahlung gluonów)

Modele uwzględniające straty energii partonów dobrze opisują produkcję hadronów o dużych pT w centralnych zderzeniach Au+Au

Model z dE/dx: GLV (M.Gyulassy, P.Levai, I.Vitev)

Page 32: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

32

Detektor PHOBOS pozwala na badanie produkcji hadronów w szerokim zakresie pT : 30 MeV/c – 5 GeV/c

Małe i średnie pT:• W centralnych zderzeniach Au+Au obserwujemy brak wzmocnienia produkcji cząstek (pionów) przy bardzo małych pT silnie sprzężony stan materii• „Wypłaszczanie” rozkładu mT (p+p) jest zgodne z efektem kolektywnej poprzecznej ekspansji• Modele hydrodynamiczne z (idealną cieczą ) dobrze opisują rozkłady pT

Duże pT:• W centralnych zderzeniach Au+Au obserwujemy silne tłumienie produkcji hadronów naładowanych • Brak tłumienia produkcji hadronów o dużych pT w d+Au • Przyczyną tłumienia produkcji hadronów są oddziaływania partonów z gęstą materią

Podsumowanie

Page 33: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

33

Wnioski

w centralnych zderzeniach Au+Au przy najwyższej energii w akceleratorze RHIC produkowana jest

materia o bardzo dużej gęstości energii, silnie sprzężona o właściwościach podobnych do właściwości

idealnej cieczy

Silnie sprzężony stan plazmy kwarkowo-gluonowej (sQGP)

Rozkłady pędów poprzecznych dla Au+Au i d+Au przy małych, średnich i dużych-pT + ...

Page 34: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

34

Eksperymentalne dane uzyskane na RHIC

sNN(GeV) sNN(GeV)Au+Au: 200 130 62.4 56 19.6

Cu+Cu: 200 62.4 22.5

d+Au: 200 p+p: 410 200

Page 35: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

35

Centralność zderzeń w AA:

b

zranione/oddziaływujące nukleony ( Npart ) nieoddziaływujące nukleony/spektatory ( Nspect )Ncoll liczba nieelastycznych oddziaływań NN (l. binarnych zderzeń NN)

Page 36: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

36

RAA przy niższych energiach (eksperymenty na stałej tarczy)

pQCD + efekty jądrowe

skalowanie Ncoll

RSAu

RPbPb

RpA

efekt Cronina

Elab = 200 AGeV, sNN = 19.4GeV

Pb+Pb: Elab =158 AGeV, sNN = 17.3 GeV

RSS skalowanie Ncoll

wielokrotne rozproszenia powodują poszerzenie widma pT => RAA >1

B.Z.Kopeliovich, et al., PRL 88 (2002) 232303

Page 37: Rozkłady pędów poprzecznych cząstek  produkowanych w zderzeniach Au+Au  przy energiach RHIC

37

Theory Calculations

Cronin Effect:X.N. Wang, Phys. Rev C61, 064910 (2000).

Attributed to initial state multiple scattering.Implemented by Q2(pt) dependent Gaussian kt broadening

Energy loss applied:M. Gyulassy, I. Vitev, X.N Wang and B.W. Zhang; nucl-th/0302007

dE/dxo is the only free parameter.It is determined by fitting toSTAR central RAA(pt)