Fizyka hadronowa. Fizyka układów złożonych oddziałujących silnie! (w których nie działa rachunek zaburzeń)

Transkrypt

1 Fizyka układów złożonych oddziałujących silnie! (w których nie działa rachunek zaburzeń) Fizyka hadronowa 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 uwiezienia?)

2 r N 1 fm Fizyka hadronów- nasze eksperymenty Badanie widm stanów związanych spektroskopia hadronów eksperyment PANDA (www-panda.gsi.de) Badanie struktury hadronów oraz własności materii jądrowej w funkcji gęstości i temperatury poprzez pomiar promieniowania elektromagnetycznego γ* (e+e-) eksperyment HADES (www-hades.gsi.de) Diagram fazowy materii hadronowej Struktura hadronu Stany związane 4x x x 1 2x x10 12 Temperatura [K] Materia Jądrowa Quark-Gluon Plasma trajektoria reakcji 0 gwiazdy neutronowe 0 1 x x Jądro atom. Gęstość (Kg/m 3 )

3 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 silneoddziałujące gluony Złamanie Symetrii Chiralnej QCD (zachowanie skrętności bezmasowych kwarków przez oddziaływanie silne) pojawianie się kondensatów kwarkowych < qq > 0 generacja mas lekkich hadronów nukleon p Kwark w nukleonie jest permanentnie otoczony oddziaływującymi gluonami- ubrany przez oddziaływanie Jego masy jest wielkością efektywną! i zależną od otoczającego systemu!

4 W obszarze dużych Q 2 (>5-8) widzimy składowe rdzenia- partony Stopnie swobody: kwarkowe, mezonowe? Pomiar funkcji struktury hadronów w procesach elektromagnetycznych e+ q 2 >0 N N* Ne+e- N N (N*) e- N N* N Komplementarne obszary kinematyczne: anihilacja i rozpraszanie (czaso- i przestrzenno-podobny) W obszarach małego przekazu czteropędu (Q 2 ) foton widzi chmurę mezonową otaczającą rdzeń kwarkowy (mezony wektorowe 1 - )

5 Anihilacja pozyton-elektron w hadrony R = N ρ, ω, φ R= σ(e+e- hadrony)/ σ(e+e- µ + µ - ) c u, d, s 2 α S ( s) ( eq ) π m g 2 V V 2 Im A V ( s) s s QCD ~(1.5GeV) 2 : pqcd continuum s < s QCD : widma mezonów A v (ρ,ω,ρ..)

6 Rozpady radiacyjne rezonansów barionowych R= (, N*) N e+e- rozpady Dalitza n π - Vector Meson (ρ,ω,φ) R Dominance p γ* e + N q 2 > 0 R γ e + e -- ρ, ω,φ Przewidywania dla rozpadu: rola mezonów e - HADES: pomiar π- p n e+e- HADES: s = 1.5 GeV Me+e- [GeV/c 2 ]

7 Rozkład ładunku w protonie Pomiar przesunięcia Lamba w atomach elektronowych i muonowych λ=28,37 cm! Rozszczepione poziomów energetycznych o tym samym j (poziomy zdegenerowane w r. Diraca) Powód: rozmycie pozycji elektronu o ~0.1fm poprawki QED Podobne poprawki wpływają na odchylenia wartości momentu magnetycznego elektronu i muonu tkz: eksperyment g-2 Kwantowa Teoria Pola (QFT) przewiduje g 2 z powodu poprawek hadronowych ale g QFT - g exp =3.6 σ!

8 Zagadka rozmiaru protonu rozproszenie e-p Rozpraszanie elektronów i pomiary przesunięcia Lamb w atomach µ -pomiary przesunięcia Lamb w atomach mionowych 5 σ różnica! Fizyka spoza SM? Poprawki dwufotonowe? Nowy eksperyment MUSE : pomiar rozproszenie elektronów i mionów jednocześnie!

9 Stany związane w QCD Mezony (q q), bariony qq. Stany egzotyczne (spoza modelu kwarkowego)? Czy takie stany istnieją? Przykład : mezony Jak je rozpoznać? Liczby kwantowe!: S 2 S Model Kwarkowy: 1 L P = - (-1) L C = (-1) L+S OK J PC = J PC =

10 Model kwarkowy a rzeczywistość.. Przykład widm: Hyperony bariony z dziwnością s= - 2 Ξ : 1 Znane tylko 3 stany Podobne sytuacja dla stanów z s=-3 nowe dane - PANDA

11 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!

12 Granice egzystencji hadronów w materii jądrowej T>T c (przejście fazowe) < qq > 0 Odtworzenie symterii chiralnej < qq > maleje z gęstością Jak zmiana < qq wpływa na masy hadronów malenie masy lub zwiększenie szerokości rozpadu > Diagram fazowy materii jądrowej B Obszar badań eksperymentu HADES

13 Pomiar masy mezonu ρ w materii jądrowej ρ m Mezon Metoda eksperymentalna pomiar masy e+ e w medium przy pomocy nieoddziałyjących z medium par e+e- = p e+ Masa [MeV/c 2 ] p e e+ e- ϑe+ sin 2 Szerokość Γ [MeV/c 2 ] e Czas życia cτ [fm/c] = hc/γ BR(V e+ e-) ρ x10-5 Eksperyment SPS 158 AGeV Znaczne zwiększenie szerokości mezonu w materii T 150 MeV Szerokość naturaln dane

14 Eksperyment HADES 3.5 GeV Produkcja mezonu ρ zimnej materii jądrowej Znacznie mniejsza energia reakcji Bardzo duża zmian kształtu funkcji rozkładu masy mezonu Inny mechanizm?

15 GSI (20 km na południe od Frankfurtu n. Menem) - Obecnie SIS 18 18Tm (1.8 T magnets) U GeV/u 10 9 ions/s Ni GeV/u protony 4.5 GeV 2.8x10 13 /s piony! GeV/c GSI-FAIR (> 2018) SIS 100 2T (4T/s) magnets Au do 8-10 GeV/u ions/s protony do 30 GeV 2.8x10 13 /s Wiązki wtórne PANDA Wiązki radioaktywne do 1.5 GeV/u Antyprotony do 30 GeV Pierścienie akumulacyjne HADES HESR: Antyprotony GeV Wiecej na seminarium w nkf g.17:00

16 kontakt : salabura@if.uj.edu.pl witold.przygoda@uj.edu.pl smyrski@if.uj.edu.pl Eksperyment PANDA (antiproton Annihilations at Darmstadt) od 2018 Eksperyment HADES High Acceptance DiElectron Spectrometer w GSI od 2002 www-panda.gsi.de www-hades.gsi.de >400 naukowców >100 naukowców Bardzo istotny wkład grup krakowskich!!!

17 Instrumentarium w eksperymentach fizyki hadronowej Przykład: Stacje detektorów słomkowych do pomiaru pozycji śladów (precyzja około 150µm) dla eksperymentu PANDA

18 Instrumentarium : układy FPGA Płyta Trigger Read-out Board oparta na programowalnych układach FPGA (Kraków- GSI) Ekstrakcja cech sygnału analogowego poprzez analizę cyfrową (amplituda sygnału, czas względem referencji (20 ps) Algorytmy do wyszukiwania określonych wzorców w zdarzeniach (np. rozróżniane cząstek po ich czasie przelotu -> propozycja pracy magisterskiej w ramach eksperymntu MUSE) Transmisja danych oparta na standardzie grzegorz.korcyl@gmail.com GbEthernet Konfigurowalne układy akwizycji do różnej skali eksperymentów

19 Tematy prac magisterskich ( 1. Symulacje dla przyszłego eksperymentów HADES oraz PANDA w ośrodku FAIRw GSI Darmstadt Badanie możliwości pomiaru określonych kanałów reakcji nacelowanych na planowane pomiary struktury hyperonów, mezonów wektorowych w reakcjach proton-proton (HADES) oraz proton-antyproton 2. Badanie produkcji par dielektronowych i pionowych w reakcjach pionnukleon oraz proton-proton Udział w analizie danych eksperymentalnych pozyskanych z reakcji pion-proton nacelowanych na wyznaczenie udziału mezonu rho w rozpadach rezonansów barionowych Symulacje oraz analiza danych odbywa się przy pomocy pakietów do rekonstrukcji zdarzeń w spektrometrach HADES (HYDRA/ROOT C++) 3. Udział w budowie oraz testach detektorów słomkowych lub detektorów scyntylacyjnych dla spektrometru PANDA Budowa skanera dla określenia pozycji drutów w detektorach słomkowych, lub detektora scyntylacyjnego odczytywanego diodami krzemowymi lub rozwój oprogramowania elektroniki odczytu detektora słomkowego