Fizyka hadronowa • Fizyka układów złożonych oddziałujących silnie! (dla których nie działa rachunek zaburzeń) Podstawowe pytania: • Mechanizm generacji masy i uwięzienia związany z naturą oddziaływań silnych (QCD) • Widmo stanów związanych • Struktura hadronów : Partonowe, mezonowe stopnie swobody? • Diagram fazowy materii jądrowej – przejścia fazowe (zniesienie uwięzienia?)
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Fizyka hadronowa• Fizyka układów złożonych
oddziałujących silnie!
(dla których nie działa rachunek zaburzeń)
Podstawowe pytania:
• Mechanizm generacji masy i
uwięzienia związany z naturą
oddziaływań silnych (QCD)
• Widmo stanów związanych
• Struktura hadronów :
Partonowe, mezonowe stopnie swobody?
• Diagram fazowy materii jądrowej –
przejścia fazowe (zniesienie
uwięzienia?)
piotr.salabura
Typewritten Text
Fizyka hadronów- nasze eksperymenty
1 fm
rN
Struktura hadronuDiagram fazowy materii hadronowej
Quark-Gluon Plasma
Materia Jądrowa
Gęstość (Kg/m3)
1x1012
2x1012
3x1012
4x1012
3x1012
00 1 x 1018 2 x 1018
Tem
pera
tura
[K]
Jądro atom.
gwiazdy neutronowe
trajektoria reakcji
• Badanie widm stanów związanych –spektroskopia hadronów –eksperyment PANDA (www-panda.gsi.de)
• Badanie struktury hadronów oraz własności materii jądrowej w funkcji gęstości itemperatury poprzez pomiar promieniowania elektromagnetycznego γ* (e+e-)eksperyment HADES (www-hades.gsi.de)
Stany związane
Mechanizmy generacji masy• masy ("current") generowane przez oddziaływanie z polem Higgsa – ważne dla kwarków
ciężkich (c,t,b)
• massy kwarków lekkich (u,d) ("constituent") generowane przez oddziaływanie silne-
• W obszarze dużych |Q| 2 (>5-8) widzimy składowe rdzenia- partony
e+
e-
q2 >0
N
N
N* N
N N (N*)
s ≥ sQCD ~(1.5GeV)2 : pQCD continuum
s < sQCD : widma mezonów – Av (ρ,ω,ρ’..)=R
)(Im2
,,
2
sAgm
VV
V∑
φωρ
∑
++
sdu
Sqc
seN,,
2 )(1)( π
α
R= σ(e+e-→ hadrony)/ σ(e+e-→µ+µ-)
Przykład I: anihilacja pozyton-elektron w hadrony
Przykład II: rozpady rezonansów barionowychR= (∆, N*)→N e+e- „rozpady Dalitza”
e+
n
e--
γ*π-
p
R
q2 > 0 γ∗ e+
e-ρ, ω,φ
R N
Vector Meson (ρ,ω,φ) Dominance
HADES: pomiarπ- p →n e+e-
Przewidywania dla rozpadu: rola mezonów
Me+e- [GeV/c2 ]
HADES: √s = 1.5 GeV
Stany związane w QCD
Model Kwarkowy:P = - (-1)L
C = (-1)L+S
S1S2L
JPC = 0–+ 0++ 1– – 1+ – 2++ …
JPC = 0– – 0+ – 1– + 2+ – …
OK
Jak je rozpoznać? Liczby kwantowe !:
Czy takie stany istnieją?
Mezony (q q), bariony qq. Stany egzotyczne (spoza modelu kwarkowego)?
Przykład : mezony
Przewidywania Modelu kwarkowego vs. eksperyment : przykład I Hiperony
Ξ∗ : 1 ∗∗∗∗
Znane tylko 3 stany …Podobne sytuacja dla stanów z s=-3 konieczne nowe dane - PANDA
Hiperony (bariony z dziwnością S= - 2)
Przykład II: Mezony z kwarkami powabnymi- czarmonium
• Obserwujemy więcej stanów
niż model kwarkowy
przewiduje…
• Masy niektórych stanów są
różne od przewidywań
teoretycznych
• Kwarki c są ciężkie . Opis
teoretyczny jest prostszy –
tym bardziej istotne są
niezgodności !
Granice egzystencji hadronów w materii jądrowej
Diagram fazowy materii jądrowej
Obszar badań eksperymentu HADESB
• T>Tc (przejście fazowe) → 0Odtworzenie symterii chiralnej • maleje z gęstością• Jak zmiana wpływa na masyhadronów – malenie masy lub zwiększenie szerokości rozpadu
>< qq
>< qq
>< qq
Pomiar masy mezonu ρ w materii jądrowej
e+
2sinppm ee
eeee−+
−+−+
ϑ=
e-ρ
• Metoda eksperymentalna pomiar masy
w medium przy pomocy
nieoddziałyjących z medium par e+e-
Mezon Masa[MeV/c2]
Szerokość Γ[MeV/c2]
Czas życiacτ [fm/c] = hc/Γ
BR(V→e+e-)
ρ0 770 150 1.3 4.4x10-5
Eksperyment Na60 @ SPS 158 AGeV
Znaczne zwiększenie szerokości mezonu w materii
Szerokość naturaln
dane
T≥150 MeV
Eksperyment HADES p+A @ 3.5 GeV
• Produkcja mezonu ρ
„zimnej” materii jądrowej
• Znacznie mniejsza
energia reakcji
• Bardzo duża zmian
kształtu funkcji rozkładu
masy mezonu
Inny mechanizm?
GSI-FAIR (> 2018)SIS 100
Au do 8-10 GeV/u 1012 ions/sprotony do 30 GeV 2.8x1013/s
2T (4T/s) magnets
Wiązki wtórne
Wiązki radioaktywne do 1.5 GeV/uAntyprotony do 30 GeV
Pierścienie akumulacyjne
HESR: Antyprotony 1.5- 15 GeV
HADES
PANDA
SIS 18
U73+ 1.0 GeV/u 109 ions/sNi26+ 2.0 GeV/u 1010
protony 4.5 GeV 2.8x1013/spiony ! 0.5-2 GeV/c
18Tm (1.8 T magnets)
GSI (20 km na południe od Frankfurtu n. Menem) - Obecnie
Eksperyment PANDA(antiProton Annihilations at Darmstadt)
od 2018
www-panda.gsi.de
Eksperyment HADESHigh Acceptance DiElectron Spectrometer … w GSI od 2002
Instrumentarium w eksperymentach fizyki hadronowejPrzykład: Stacje detektorów słomkowych do pomiaru pozycji śladów (precyzja około 150µm) dla eksperymentu PANDA
• Instrumentarium : przykład: układy FPGAPłyta Trigger Read-out Board oparta na programowalnych układach FPGA(Kraków- GSI)
Tematy prac magisterskich i licencjackich1. Symulacje dla przyszłego eksperymentów HADES oraz PANDA w
ośrodku FAIR w GSI Darmstadt (opiekun P. Salabura)Produkcja i rozpady elektromagnetyczne barionów w reakcjach proton-proton (HADES) lub proton-antyproton (PANDA)
Rekonstrukcja rozpadów Hiperonów przy pomocy detektora do przodu w eksperymencie HADES
Symulacje Monte Carlo oparte na generatorach zdarzeń w środowisku ROOT/GEANT bazującym na języku C++. Celem jest określenie koniecznej statystyki do przeprowadzenia planowanych eksperymentów oraz zapoznanie się z fizyką planowanych eksperymentów
2. Badanie produkcji par dielektronowych i pionowych w reakcjach pion-nukleon (opiekun P. Salabura)
Porównanie wyników eksperymentu HADES do przewidywań różnych modeli teoretycznych opisujących produkcję par e+e- w reakcjach pion-nukleon
Porównanie uzyskanych różniczkowych przekrojów czynnych do przewidywań modelowych . Analiza danych + symulacje Monte Carlo . Praca w środowisku ROOT (język C++. Zapoznanie się z podstawami spektroskopii barionów i metodami analizy opartymi na rozkładzie na fale parcjalne
Tematy prac magisterskich i licencjackich
3. System odczytu i rekonstrukjci zderzeń w detektorach słomkowych dla spektrometrów HADES/PANDA
Testy detektorów słomkowych, elektroniki odczytu przy użyciu źródeł oraz promieniowania kosmicznego (opiekun P.Salabura/dr. G. Korcyl)
Testy zbudowanej elektroniki analogowej i cyfrowej (opartej o układy FPGA) do pomiaru czasu dryfu. Pomiary paramterów impulsów, zdolności rozdzielczych. Stworzenie automatycznych procedur ewaluacji parametrów elektroniki
Rozwój anlgorytmów rekonstrukjci torów w czasie rzeczywistym lub "off-line" dla detektora słomkowego (opiekun P.Salabura/dr. G. Korcyl)
Rozwój i ulepszenie istniejącego algorytmu do rekonstrukcji torów w oparciu o zmierzone czasy dryfu . Weryfikacje w operciu o wybrane reakcje produkjci or rozpadu cząstek w eksperymentach HADES/PANDA
Detektor słomkowy do eksperymentu HADES (opiekun J. Smyrski)
Praca obejmuje udział w budowie detektora, jego instalacji w eksperymencie HADES oraz analizie danych z jego testów. Student będzie miał możliwość zapoznania się fizyką i szczegółami technicznymi detektorów gazowych, a także nowoczesną elektroniką do ich odczytu, z dużym układem detekcyjnym (HADES) oraz z analizą danych z detektorów słomkowych (środowisko Root).
3. Testy systemu odczytu detektorów słomkowych dla spektrometrów HADES/PANDA (opiekun J. Smyrski)
Skaner do sprawdzania geometrii detektorów słomkowych
W ramach pracy uruchomiony zostanie skaner o polu przesuwu 200 cm x 120 cm, wykorzystujący skolimowaną wiązkę promieni X do precyzyjnych pomiarów pozycji drutów czułych oraz katod w gazowych detektorach słomkowych. W skanerze zastosowano innowacyjne rozwiązania związane z wykorzystaniem miniaturowego generatora promieni X. Student będzie miał możliwość zapoznania się z fizyką detektorów gazowych, z analizą danych przy pomocy oprogramowania Root, a także ze sterowaniem skanera (silniki krokowe, źródło X-ów) przy pomocy płytki BeagleBone Black (C++, Python, Assembler).
Budowa prototypu paskowego detektora scyntylacyjnego odczytywanego przez fotopowielacze krzemowe
Zbudowany zostanie prototyp detektora scyntylacyjnego do pomiaru czasu przelotu w eksperymencie PANDA, charakteryzujący się małą masą oraz możliwością pracy w silnych polach magnetycznych, dzięki zastosowaniu fotopowielaczy krzemowych. Temat idealny dla osób lubiących samodzielnie eksperymentować, gdyż cały projekt obejmujący montaż detektora, podłączenie elektroniki odczytu, oprogramowanie elektroniki odczytu, testy i analiza danych może być wykonana przez studenta.