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
Mar 19, 2016
1
Adam Trzupek
Zakład Oddziaływań Jądrowych Wysokich EnergiiInstytut Fizyki Jądrowej PAN
Kraków
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
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
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
5
Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)
sNN (GeV)RHIC: 200SPS: 17
Obwód = 3800 ml. magnesów =1740
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
7
PHOBOS
1m
8
PHOBOS - detektor wyzwalania
1m
Detektor wyzwalania Triger
3 <||<4,5 = -ln tan(/2)
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
10
PHOBOS – detektor krotności
Detektor krotności Oktagon
Detektor krotności Pierścienie
- 5,4 < < 5,4
11
PHOBOS – spektrometr i TOF
Spektrometr
Liczniki czasu przelotu
Magnes
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
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
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-
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
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 >
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
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
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
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
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)
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
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
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”
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
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
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
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%
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
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
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)
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
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 + ...
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
35
Centralność zderzeń w AA:
b
zranione/oddziaływujące nukleony ( Npart ) nieoddziaływujące nukleony/spektatory ( Nspect )Ncoll liczba nieelastycznych oddziaływań NN (l. binarnych zderzeń NN)
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
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)