Fisica Subnucleare Modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti 3 a lezione Dr. Francesco Noferini 1 Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17
Fisica Subnucleare
Modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti
3a lezione
Dr. Francesco Noferini
1Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17
Sommario del modulo
• Motivazioni: il deconfinamento• Collisioni nucleo-nucleo• Risultati sperimentali in collisioni nucleo-
nucleo (SPS,RHIC)• Risultati ad LHC e prospettive
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Modelli termici vs. produzione adroni
• Modello Gran Canonico – No vincolo sul numero di particelle prodotte– Produzione degli adroni:
– Vinconlo sulla conservazione numeri quantici dello stato iniziale su 4π
• Numero barionico totale: ΣNiBi = Z+N
• Stranezza totale: ΣNiSi = 0
• Isospin: ΣNiIi = (Z – N)/2
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pd
T
SB
gVN
chem
isiB
ii
3
i
3
1E
exp
1
2 /
4
Dinamica del QGP: rapporti di particelleLa misura della temperatura al freeze out chimico e dei potenziali chimici associati al sistema può essere estratta dall'osservazione dei rapporti tra le diverse specie di particelle.
L’estensione di una simile analisi a LHC richiede di fatto una buona capacità di identificazione delle particelle prodotte!
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5
short
liv
ed
reso
nance
s
Tch
s
STAR white paperNucl Phys A757 (05) 102
•Tch ≈ TC ≈ 165 ± 10 MeVChemical freezeout ≈ hadronization.•s ~ u, d La stranezza è all’equilibrio termico.
Chemical freeze-out
pd
T
SB
gVN
chem
isiB
Ss
ii
i 3
i
3
1E
exp
1
2
/
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Soppressione del Quarkonio e aumento della stranezza e della produzione del
mesone Φ
Produzione di quark sms ~ Tc
u,d,s
Soppressione QQ
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Aumento della stranezza (SPS)
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NA57: JPG32, 427 (2006)
Aumento della stranezza (RHIC)
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STAR: PRC77, 044908 (2008)
Sopressione della J/ψ
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Matsui and Satz hanno predetto la soppressione della produzione di J/ nel Quark Gluon Plasma (1986)
Debye screening• Nel plasma è previsto che il potenziale di interazione sia nullo
oltre una certa distanza D (Debye screening).
• Gli stati di Charmonio (cc) e bottonio (bb) con dimensioni > D non possono esistere nel mezzo
• Gli stati quarkonio sonoconsiderati un termometroper la transizione di fase
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SPS: J/ψ suppressionSoppressione della J/ψ in funzione della densità di energia nella collisione.
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00
1
y
dy
dE
Sc
Bjorken’s formula
Transverse dimension S :2PbRS 3/1fm2.1 ARA
fm1.7)208(fm2.1 3/1 PbR2fm160S
12
RHIC: J/ψ suppression
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Johanna Stachel
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15
Strong QGP: il flusso ellittico
L’espansione è guidata da un gradiente di pressione
Le particelle sono emesse più probabilmente lungo il piano di reazione
dN/d
φ
2v2
13
3
cos212
1
nRn
tt
nvdydpp
dN
dp
NdE
Fisica subnucleare - F. Noferini
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Hydro+Jet model
Colore: parton densityPunti: mini-jets
Au+Au 200AGeV, b=8 fm
Hydro+Jet Hydro+Jet modelmodel (T.H. & (T.H. &
Y.Nara (’02))Y.Nara (’02))
x
y
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Elliptic flow - caratteristicheElliptic flow - caratteristiche
• L’anisotropia geometrica che è all’origine dell’elliptic flow si attenua con l’evoluzione del sistema– Anche in caso di espansione libera (sistema non interagente) l’eccentricità della fireball
diminuisce con l’aumentare della dimensione del sistema
• I gradienti di pressione che sono all’origine dell’elliptic flow sono più forti nei primi istanti dopo la collisione
• L’elliptic flow è quindi particolarmente sensibile all’equazione di stato (i.e. velocità del suono) delsistema nei primi istanti della collisione 17Fisica subnucleare - F. Noferini
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Risultati di RHICConfronto del flusso ellittico con un modello idrodinamico.
Il “QGP” è un fluido Il “QGP” è un fluido ideale (fortemente ideale (fortemente interagente) a interagente) a viscosità quasi nulla.viscosità quasi nulla.
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PR
L 92
(20
04
) 05
23
02
; PR
L 91
(20
03
) 18
23
01
P. Sorensen
19
L’anisotropia di tipo ellittico segue uno scaling con il numero di partoni costituenti:
Se il flusso ellittico è prodotto nella fase partonica, quando il sistema adronizza ogni particella riceve un v2 e un pT in dipendenza del suo contenuto di quark.
TT
h pn
nvpv1
)( 22
Coalescenza
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PR
L 92
(20
04
) 05
23
02
; PR
L 91
(20
03
) 18
23
01
P. Sorensen
20
1 2 3 4 5 [GeV/c]
10-1
10-2
10-3
10-4
dN/p
Tdp
Tdy
Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17
TT
h pn
nvpv1
)( 22
Coalescenza (II)
Jet Quenching (Gluon Strahlung):(Baier, Schiff, Zakharov, hep-ph/0002198; Baier, NPA715(03)209)
x=/E<<1
● Vacuum:
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Jet quenching in parton medium
Baier, Dokshitzer, Mueller, Peigne‘, Schiff, NPB 483 (1997) 291. Salgado, Wiedemann, PRD 68(2003) 014008.Dokshitzer and Kharzeev, PLB 519 (2001) 199. Armesto, Salgado, Wiedemann, PRD 69 (2004) 114003.
path length L
kT
Energy loss dipende da:
2
ˆTk
q , medium transport coefficient
color coupling factor: 4/3 per q, 3 per gRC
2 ˆ LqCE Rs
(BDMPS-WS)
“Dead cone” effetto per quark molto massivi: Nel vuoto, la radiazione di gluoni è soppressa a q < mQ/EQ
22Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17
Dead cone
23
Mass effects on radiation: nel vuoto c’è il cosiddetto “dead cone effect” per particelle molto massive
● Dokshitzer, Kharzeev (PLB519(01)199)Hanno proposto che la stessa cosa avvenisse nel mezzo ma non si ha avuto ancora nessuna evidenza sperimentale
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Un mezzo “colorato”: Il Jet Quenching
Rapporto tra i prodotti in collisioni AuAu e collisioni pp.
Fotoni: no interazione con il mezzo.
Adroni: interazione con il mezzo
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ppTcoll
AAT
TAA dpdNN
dpdNpR
/
/
0
0
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Dipendenza di q dalla centralità
A. Dainese, C. Loizides and G. Paic, Eur. Phys. J. C 38, 461-474 (2005)
Un buon accordo con I dati è ottenuto per un valore:q ~ 14 GeV2/fm^
^
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Modificazione della strutura del jet a seguito dell’interazione con il mezzo
N. Borghini and U. A. Wiedemann, hep-ph/0506218 &ALICE PPR Vol. II, Chapter 6
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Geometria della collisione
L1
L2
Proprietà:
• L1≠L2
• Forte dipendenza dal parametro d’impatto (b)
• ΔEi aumenta con Li
Produzione di una coppia di Jet
28
Correlazioni di particelleIl metodo tradizionale consiste nel considerare le distanze angolari tra una particella ad alto pT (particella leading) e tutte le altre particelle dello stesso evento con un pT elevato.
Definite le due soglie di impulso trasverso (pT
lead, pTassoc) si considerano gli eventi con
almeno una particella carica di pT > pTlead e si
graficano le distribuzioni angolari di tutte le particelle dell'evento con impulso pT > pT
assoc.
In tal modo si selezionano le correlazioni delle particelle appartenenti al jet la cui direzione è data dalla particella leading dell'evento.
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Risultati di STAR sulle correlazioni a 2 particelle
Phys.Rev.Lett.91:072304,2003
[STAR Collaboration]arXiv:nucl-ex/0604018
Aumentanto il pT della particella di trigger le correlazioni back-to-back tornano visibili.
In questo pT range, solo per collisioni AA centrali, le correlazioni back-to-back sono soppresse.
4 < pTtrig < 6 GeV/c
2 GeV/c < pTcorr < pT
trig
RHIC: Correlazione a due particelle
Au+Au periferici Au+Au centrali
|ηparticle| < 0.7Ptrig > 4 GeV/c, Pcorr > 2 GeV/c
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31
Ancora sui risultati di RHIC: correlazioni a 2 particelle
In basso è riportata la dipendenza della soppressione delle correlazioni back-to-back in funzione della centralità della collisione.
D + Au
AuAu central
J. Adams et al. [STAR Collaboration], Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 072304 J. Adams et al. [STAR Collaboration], Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 162301
No centrality dependence
Suppressed when centrality increases
trigT
assocT
trigT
ppp
GeV/c2GeV/c64
GeV/c8trigTp
32
periferichecentrali
Dipendenza dalla centralità
Contropicco: Sopressione del jetSpostamento del picco: Risposta del mezzo
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Three regions on away side:center = (, ) ±0.4corner = (+1,+1) ±0.4 x2cone = (+1,-1) ±0.4 x2
away
near
Medium
mach cone
Mediumaway
near
deflected jets1
2
0
0
1
2
0
0
pTtrig=3-4, pT
assoc=1-2 GeV/c2-particle corr, bg, v2 subtracted
φ2=
φ2-φ
trig
d+Au min-bias
dN
2/d
Δφ
1dΔ
φ2/N
trig
φ1=φ1-φtrig
φ2=
φ2-φ
trig
Au+Au 10%
difference in Au+Auaverage signal per
radian2:center – corner = 0.3 ± 0.3 (stat) ± 0.4
(syst)center – cone = 2.6 ± 0.3 (stat) ± 0.8
(syst)
conical flow? 3-particle correlation
L’effetto Mach cone non si vede nei dati
L’effetto Mach cone non si vede nei dati
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• Analisi in 2 dimensioni• Allungamento in Δ
sotto il picco del jet: il “ridge”
Correlazioni in due dimensioni: Δ- Δ
beam direction
ridge
ridge
jet
jet+ridge
p Ttrig
ger =
3-6
GeV
/c,
1.5
GeV
/c <
p Tasso
ciat
ed<
p Ttrig
ger
Fisica subnucleare - F. Noferini
Martedì 17/05/11, 15-17
Commenti• Il cosiddetto QGP (plasma di quark e gluoni) è stato investigato
intensivamente al SPS e soprattutto a RHIC• Evidenze di una fase all’equilibrio termodinamico sono state
riportate (rapporti di particelle vs. modelli statistici)• Le proprietà osservate sono associabili alle dinamiche di un
fluido più che a un plasma vero e proprio (gas perfetto), fortemente interagente via QCD (Jet Quenching, elliptic flow)
• Diversi osservabili rivelano la natura partonica dei costituenti del mezzo (J/ѱ suppression, elliptic flow)
• LHC (e in particolare ALICE) investigheranno nuovi effetti in regimi ancora più estremi sulla scia di quanto già osservato a RHIC
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