Bevezet és a nehézion-fizikába (Introduction to heavy ion physics)

1. Bevezetés a nehézion-fizikába(Introduction to heavy ion physics) Veres Gábor (CERN-PH és ELTE) Hungarian Teachers Programme CERN, 2014. augusztus 21.

2. Miért kutatunk nehézionokat? • A legnagyobb energiájú, legkomplexebb (0.1 mJ) • Kvark-bezárás tanulmányozása • Mikromásodpercekkel az Ősrobbanás után… Erős kölcsönhatás közvetítője: gluon QCD: kvantum-színdinamika barionok mezonok

3. QCD • A kölcsönhatás erőssége az impulzus-átadástól (méretskálától) függ: Nagy impulzusok: aszimptotikus szabadság Nagy távolságok: nagyon erős, kvarkbezárás Színes húrok…

4. Kvark-gluon plazma • Nagy hőmérsékleten vagy nagy sűrűségnél a kvarkok közötti kölcsönhatás gyengül • A kvarkok és gluonok ekkor kiszabadulhatnak a barionokból és mezonokból • Ehhez szükséges • Energiasűrűség: kb. 1 GeV/fm3 vagy • Barionsűrűség: kb. 1 barion/fm3 (magsűrűség ötszöröse) • Rács-QCD /T4 T

5. Fázisdiagram: erősen kölcsönható anyag

6. Nehézion-ütközések - laboratóriumok • BNL (USA), AGS: p (33 GeV), Au (14.6 GeV), fix céltárgy • CERN (CH), SPS: p (450 GeV), Pb (158 GeV), fix céltárgy • Kísérletek: NA49, NA61,… • BNL, RHIC: Au (200 GeV) • Kísérletek: STAR, PHENIX, PHOBOS, BRAHMS • CERN, LHC: Pb (2760 GeV) • Kísérletek: ALICE, ATLAS, CMS

7. Nehézion-ütközés laboratóriumban

8. Milyen változókat használunk?  p Pszeudorapiditás: = - ln tan(/2) proton-nyaláb Henger-koordináták:azimutszög:  Transzverzális impulzus: pT pT  proton-nyaláb

9. Centralitás Npart: résztvevő nukleonok száma Ncoll: páronkénti nukleon-nukleon ütközések száma Gyakran a teljes hatáskeresztmetszet százalékában adjuk meg

10. A nehézion-ütközések globális jellemzői

11. Töltött részecskék száma • s-függés: • p+p, Pb+Pb:hatványfüggvény • Centralitás-függés: • Hasonló a RHIC eredményeihez Energiasűrűség becsülhető, kb. 15 GeV/fm3!

12. Időfejlődés

13. „Kémiai” összetétel

14. Fázisdiagram RHIC SPS AGS

15. Hőmérséklet • Kis transzverzális impulzusnál termális spektrumokat látunk (proton-proton ütközésekben)

16. Hőmérséklet+radiális folyás Nehézionok ütközésénél: Nagyobb m → nagyobb T (laposabb spektrumok)

17. Értelmezés y v x v A kollektív mozgás rárakódik a termális mozgásra A kialakuló nagy nyomás miatt Tehát fontos a különböző tömegű részecskék mérése Ütközési energiával nő a radiális folyás sebessége (0.5-0.7c)

18. Elliptikus folyás

19. Hidrodinamikai értelmezés • Hydrodynamic limit • STAR • PHOBOS RQMD Centrális ütközések: gyors termalizáció, tökéletes folyadék Periférikus ütközések: nem teljes termalizáció Hadronikus modell nem tudja leírni (RQMD)

20. Elliptikus folyás Nagy pT: a részecskék gyorsan kiszöknek,nincs termalizáció A hidrodinamikai modellekjól leírják a tömegfüggést is

21. Dileptonok Az ütközés korai szakasza Nem hatnak erősen kölcsön

22. Kvarkónium: szín-árnyékolás q Vákuum: q QGP: q q D: a kötött állapot maximális mérete, Hőmérséklet növelésével csökken (de: regeneráció)

23. Elnyomás mérése • Összehasonlítás p+p ütközésekkel: Ha nincs módosulás, akkor RAA=1 SPS  RHIC… rekombináció?

24. Y elnyomás

25. Kemény szórások felhasználása

26. Kemény szórások nehézion-ütközésekben • Cél: a létrejött folyadék állapot (közeg) tulajdonságait vizsgálni • Probléma: a közeg élettartama nagyon rövid (O(fm/c)), nem használhatunk külső „sugárforrást” a vizsgálatához • Megoldás: kihasználjuk a nagy pTjet-ek, γ/W/Z, kvarkónium állapotok nagy hatáskeresztmetszetét az LHC energián, és felhasználjuk ezeket magukban az ütközésekben. anyag Külső sugárzás

27. Energiaveszteség Spektrum: pp „Quenched” spektrum • A plazmán áthaladó partonok energiát veszíthetnek • Többszörös szórással • Gluon sugárzással

28. Jet-ek: mennyire erősen kölcsönható ez az anyag?

29. Jetenergia aszimmetria Pb Pb pp p p Pb Pb • A partonok energiaveszteségea jet-párok energia-egyensúlyának felborulásában jelenik meg, centrális Pb+Pb ütközésekben

30. Mennyi energiát vesztenek a jet-ek? p+p Pb+Pb ???

31. Jet-ek nukleáris módosulási faktorai Pb Pb Pb Pb Elnyomás: nincs szignifikánspT–függés

32. Töltött hadronok, RAA Pb Pb Pb Pb

33. Nukleáris módosulási faktorok Ugyanazt aparton pTtartományt mintavételezik töltött hadronok jet-ek Megj:a jet-ek p+p és Pb+Pb ütközésekben hasonlóan fragmentálódnak (ld. később)

34. Hogyan jellemezhető a jet-ek energiavesztesége „kalibrált” módon? Pb+Pb ???

35. Hogyan jellemezhető a jet-ek energiavesztesége „kalibrált” módon? Pb+Pb

36. g-jet: u, d kvark energiavesztesége foton (191GeV) jet (98 GeV) • A foton szerepe: • Azonosítja a jet-et: u,d kvark jet • Megadja az eredeti kvark mozgási irányát • Megadja a kvark kezdeti energiáját

37. -jetkorrelációk Pb Pb Pb Pb • A fotonok nem módosulnak, így energiamérést biztosítanak • A jet-ek és fotonok pT-aránya (xJ=pTjet/pT) a jet energia- veszteségét közvetlenül méri • Az xJeloszlás fokozatos centralitásfüggéséttapasztaljuk xJ

38. -jetkorrelációk Pb Pb Pb Pb RJ = a jet partnerrel (>30 GeV/c)rendelkező fotonok aránya xJ=pTjet/pT Kevesebbjetpartner Nincs-dekorreláció NövekvőpT-aszimmetria A fotonok ~20%-a elvesztia jet partnerét A jet-ekenergiájuk~14%-át veszítik el

39. A nehéz kvark-jetek is vesztenek energiát? udsg b p+p p+p udsg b Pb+Pb Pb+Pb ???

40. A b-jetekaránya az összes jethez képest b-jetrészarány: hasonló érték p+p és Pb+Pb ütközésekben→ b-jetenergiaveszteség tehát hasonlóa könnyű kvarkok energiaveszteségéhez (RAA0.5), egyelőre nagy szisztematikus hibával. p+p Pb+Pb CMS PAS HIN-12-003

41. Hogyan módosulnak a jetek? Megváltozik az alakjuk vagy a fragmentációjuk? r  Jetfragmentációs függvény: A részecskék impulzusának eloszlása a jet tengelyére vetítve,a  változót használva: =ln(pjet/p||track): Jetalak: pT-eloszlás az- távolság függvényében a jet tengelyétől (r): kis nagy

42. Részecskék pT-eloszlása jet-eken belül Pb Pb Pb Pb (1/GeV) Nagy pT (kis): nincs változás a p+p ütközésekhez képest Centrális Pb+Pb: részecskéktöbblete p+p-hez képest (nagy)

43. p+Pb ütközések: 2013. jan-feb.Referencia-mérés (?)

44. Jet-pár egy p+Pb ütközésben, √sNN = 5 TeV p Pb Hamarosan új eredmények várhatók…

45. Jet-pár egy p+Pb ütközésben, √sNN = 5 TeV • vezető jet: • ET = 170.3 GeV • Jet párja: • ET = 166.9 GeV

46. J/ψ jelölt p+Pb ütközésben, √sNN = 5 TeV

47. ϒ(1S) jelölt p+Pb ütközésben, √sNN = 5 TeV

48. Z jelölt (+jet) p+Pb ütközésben, √sNN = 5 TeV

49. Kétrészecske-korrelációk definiálása Jel-párok eloszlása: Háttér-párok eloszlása Event 1 Párok egyazon eseményből Kevert események Event 2 Δη = η1-η2 Δφ = φ1-φ2 Az asszociált hadronok triggerenkénti száma:

50. p+Pb: a “hegygerinc” újra felbukkant! p Pb A fizikai magyarázat még nem teljesen tisztázott p+p 7 TeV N ≡ a töltött részecskék száma (pT>0.4 GeV/c) Sokkal nagyobb mint p+p ütközésekben