Ideális kvarkfolyadék a RHIC-nél

1. Ideális kvarkfolyadék a RHIC-nél Mérföldkövek a kvarkanyag kutatásában a PHENIX kísérletnél Csanád Máté, ELTE TTK Atomfizikai Tanszék ELFT Vándorgyűlés Eger, 2007. augusztus 23.

2. Elindított fejlesztési programok: Relativistic Heavy Ion Collider • RHIC: Relativisztikus nehézion ütköztető • Au+Au, Cu+Cu,p+p,d+Auütközések • 4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS (Veres Gábor), STAR • Magyar intézményi részvétel a PHENIX-ben: • KFKI: Csörgő T., Hidas P., Ster A., Sziklai J., Zimányi J. • ELTE: Kiss Á., Csanád M., Nagy M., Deák F. • DE: Dávid G., Tarján P., Imrek J., Vértesi R., Veszprémi V.

3. Rövid áttekintés • Sokmódusú gyorsító • 22 GeV (Au, Cu, p) • 56 GeV (Au) • 62 GeV (Au,Cu, p) • 130 GeV (Au) • 200 GeV (Au, Cu, d, p) • 410 GeV (p) • 500 GeV (p) • Tudomány • >160 referált cikk, több mint 90 a Phys. Rev. Lettersben • Jelentősfelfedezések discoveries • A jövő: e-RHIC és RHIC II • Azonosított kulcskérdések • A gyorsító és a kísérletek továbbfejlesztése biztosítva

4. A PHENIX csoport

5. 1. mérföldkő: új jelenség • Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján • Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerzővel: Ster András

6. A részecskesugarak elnyelődése • Nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése: jet-quenching  sűrű, erősen kölcsönható (ragacsos) anyag • Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő

7. 2. mérföldkő: új anyagfajta • d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség • Nem az Au mag szerkezetmódosulása • Au+Au: új anyag • PHENIX-Magyarország: 10 szerző

8. Skálázási előrejelzések • Kollektív, termális viselkedés → Információvesztés, skálázás • Mit jelent ez? • Hubble törvény vagy akár Newton • Cannot predict acceleration or height • Transzverz spektrumok: • Elliptikus folyás: • Korrelációs sugarak:

9. 3. mérföldkő: elliptikus folyás • Elliptikus folyás (v2): kollektív mozgás • Ritka gáz esetében v2 nulla • Hidrodinamikai viselkedés: v2 > 0 M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. nucl-th/0512078

10. Hidrodinamikai skálázás • Buda-Lund hydro: prediction of scale function (2003) • PHENIX (2005), PHOBOS (2006) and STAR (2005) data do collapse • Prediction based on perfect hydro is VALID Csörgő, Akkelin, Hama, Lukács, Sinyukov (Phys. Rev. C67, 034904, 2003) Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster (Nucl. Phys. A742:80-94,2004) Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster et al. nucl-th/0512078

11. Top Story 2005 Az Amerikai Fizikai Intézet szerint 2005 legfontosabb eseménye a kvarkfolyadék felfedezése

12. 4. mérföldkő: kvarkok folyadéka • Az elliptikus folyás hidrodinamikai változóban a kvarkszámmal skáláz! • Szabadsági fokok: kvarkok PHENIX Collaboration, nucl-ex/0608033

13. Kísérleti tapasztalatok összegzése • Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag • Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék • Sikertelen számítások viszkózus modellekkel • Siker elhanyagolható viszkozitás mellett • Hasonlat (Bill Zajc, Scientific American): • Egyszerre kiszabaduló sok rab • Kis térrész, „tolongás”, gyakori kölcsönhatások, termalizáció, folyadék-viselkedés! • Kvarkok ideális folyadéka • Nincs viszkozitása és hővezetése • Szabadsági fokok: kvarkok

14. Néhány további részlet • Mach-kúpok észlelése • d, Φ és D részecskék is „folynak” • Semleges pionok elnyomva, fotonok nem • Királis dinamika: ρ és η’ tömegmódosulás • Cross-over fázisátmenet helyett PHENIX Collaboration, various papers

15. Jövő, célok • A kvarkanyag természetének feltérképezése • Új adatok analízise • Új elméleti jóslatok tesztelése • Nagyobb luminozitás (RHIC II) • Felfedező utak a QCD fázisdiagramján • Nagyobb energiák vizsgálata • A kritikus pont keresése (alacsonyabb energiák) • Új ütköztető rendszerek vizsgálata (e-RHIC) • Kolumbusz éppen megérkezett az Új Világba

16. Konklúzió • Tökéletes kvarkfolyadék létrehozása a RHIC Au+Au ütközésekben • PHENIX mostantól igazán produktív • 11 legutóbbi Phys. Rev. Lett.: 41 cikk (átlagban négy!) • PHENIX (RHIC) még min. 5 évig meghatározó • Fejlesztések utána: e-RHIC és RHIC II • Intézményi tagság, szavazati jog PHENIX PHENIX PHENIX

17. Gáz Folyadék Köszönöm a figyelmet

18. „Új természeti törvények felfedezése” „Általában az alábbi módon keressük az új természeti törvényeket. Első lépésben felteszünk egy elméletet. Aztán megvizsgáljuk a feltételezésünk következményeit, hogy lássuk, mit jelentene, ha az elméletünk igaz lenne. Majd a számítások eredményeit összehasonlítjuk a Természettel, közvetlenül a megfigyelésekkel, kísérlet vagy tapasztalat által, hogy lássuk, működik-e. Ha ellentmond a kísérleteknek, akkor hibás az elméletünk. Ebben az egyszerű állításban van a tudomány kulcsa. Nem számít, milyen szép az elméletünk, nem számít, milyen okosak vagyunk, hogy ki találta ki az elméletet, hogy őt hogy hívják —ha ellentmond a kísérleteknek, akkor hibás.” /R.P. Feynman/

19. Viscosity Primer • Basic ideas • Don’t equate viscous with sticky (jet suppression) • Think instead of a not-quite-ideal fluid: “not-quite-ideal” = “supports a shear stress” • Viscosity h defined as: • Estimate: • Small viscosity  Large cross sections • Large cross sections  strong couplings • Strong couplings  perturbation theory difficult

20. Viscosity estimates • Lower bound on viscosity: • hep-th/9711200, gr-qc/0602037, hep-th/0405231 • Results onh/s • R. Lacey et al.,nucl-ex/0609025 • H.-J. Drescher et al.,arx:0704.3553 • S. Gavin, M. Abdel-Aziz,nucl-th/0606061 • A. Adare et al., nucl-ex/0611018

21. Tc Phase diagram of QCD • New states of matter (?) • Hadrons  QCD plasma? • Lattice QCD: critical temperatures around 176MeV (see Z. Fodor’s talk) (hep-ph/0511166)

22. A Nagy Bumm • Korai univerzum: forró, táguló rendszer • Kvarkanyag, kvark-gluon plazma • Protonok, neutronok kifagyása

23. PHENIX • Fotonok, elektronok, müonok, hadronok azonosítása • A reakció összes szakaszának vizsgálata • Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik • Hadronok: kifagyáskori állapot

24. PHENIX összefoglaló, Kvarkanyag ‘05 Visszautasíthatatlan ajánlat!! Az új anyag sűrű Az új anyag megolvasztja és újragenerálja a ritka részecskéket Kísérlet és elmélet vállvetve megmérheti is kiszámolhatja az új anyag, új kölcsönhatás tulajdonságait Az új anyag módosítja a nagyenergiás részecskenyalábokat Az új anyag forró Az anyag erősen csatolt

25. Nukleáris modifikáció (PHENIX) • Ellentétes függés az ütközés frontálisságától • d+Au: Cronin-effektus (részecskék újraszóródnak  növekmény) • Au+Au: Új jelenség: elnyelődnek a nagyenergiás részecskék (jetek) • Keletkező új anyag: részecskesugarak elnyelése (jet quenching)

26. Szögeloszlások (STAR) • Nagyenergiás részecskesugarak szögkülönbség-eloszlása • Kifutó irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik • Befutó irány: Au+Au-ban elnyelődés, p+p és d+Au-ban nincs • A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon pedestal and flow subtracted

27. Fluid Effects on Jets ? • Mach cone? Jets travel faster than the speed of sound in the medium. While depositing energy via gluon radiation. • QCD “sonic boom” (?) • To be expected in a dense fluid which is strongly-coupled

28. The (Assumed) Connection hmn • Exploit Maldacena’s “D-dimensional strongly coupled gauge theory  (D+1)-dimensional stringy gravity” • Thermalize with massive black brane • Calculate viscosity h= “Area”/16pG • Normalize by entropy (density) s = “Area” / 4G • Dividing out the infinite “areas” : • Conjectured to be a lower bound “for all relativistic quantum field theories at finite temperature and zero chemical potential”. • See “Viscosity in strongly interacting quantum field theories from black hole physics”, P. Kovtun, D.T. Son, A.O. Starinets, Phys.Rev.Lett.94:111601, 2005, hep-th/0405231 Am Infinite “Area” ! An

29. New Dimensions in RHIC Physics • “The stress tensor of a quark moving through N=4 thermal plasma”, J.J. Friess et al., hep-th/0607022 Jet modifications from wake field Our 4-d world The stuff formerly known as QGP Heavy quark moving through the medium String theorist’s 5+5-d world Energy loss from string drag

30. NA44, S+Pb Chiral symmetry restoration? • Prediction: h’ mass reduction in hot and dense matter due to UA(1) symmetry restoration • Idea: measure l(mt) dependence at low momenta Kapusta, Kharzeev, McLerran Phys.Rev.D53:5028-5033,1996 Z. Huang, X-N. Wang Phys.Rev.D53:5034,1996 Vance, Csörgő Kharzeev Phys.Rev.Lett.81:2205-2208,1998 T. Hatsuda, T. Kunihiro Phys. Rept. 247:221,1994

31. Why the l(mt) dependence l(mt) measures fraction of strongly coupled p’s Prediction: In hot and dense matter h’ mass reduction  Enhanced h’ content Decay: h’h+p+ +p-(p0+p++p−)+p++p− Long lifetime Average pt of p’s 138 MeV  More non-interacting p’s at 138 MeV l(mt) measures fraction of interacting p’s  A hole in l(mt) PHENIX FINAL DATA Au+Au 200 GeV S. S. Adler et al., PRL93,152302(2004)

32. Analysis of new, low pt data • UA(1) restoration tested with three type of l(mt) measurements • Results critically dependent on understanding of statistical and systematic errors • Additional analysis required for definitive statement M. Csanád for the PHENIX Collaboration, Quark Matter 2005, Budapest nucl-ex/0509042 PHENIX PRELIMINARY

33. What kind of transition? • Basic observables in second order phase transitions: critical exponents • Spatial distribution of the order parameter: h • Equals to the Lévy-stability index of two-particle correlations a • h=a, Csörgő et. al., nucl-th/0512060 • Universality class of QCD = that of 3d Ising models • Here h=0.03±0.01, but in more realistic random field Ising models: h= 0.50±0.05 (Wilczek and Rajagopal, hep-ph/9210253) • Analysis of PHENIX Au+Au data: a=1.4±0.1 • Second order phase transition closed out (preliminarily) nucl-ex/0509042