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

Transkrypt

1 Fizyka układów złożonych oddziałujących silnie! (dla 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 uwięzienia?)

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 Przykład I: 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 Przykład II: rozpady 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 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 =

8 Przewidywania Modelu kwarkowego vs. eksperyment : przykład I Hiperony Hiperony (bariony z dziwnością S= - 2) Ξ : 1 Znane tylko 3 stany Podobne sytuacja dla stanów z s=-3 konieczne nowe dane - PANDA

9 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!

10 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

11 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

12 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?

13 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

14 kontakt : piotr,salabura@uj.edu.pl grzegorz.korcyl@uj.edu.pl jerzy.smyrski@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!!!

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

16 Instrumentarium : przykład: 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 w czasie rzeczywistym (np. rekonstrukcja śladów cząstek w detektorze słomkowym) Transmisja danych oparta na standardzie grzegorz.korcyl@gmail.com GbEthernet Konfigurowalne układy akwizycji do różnej skali eksperymentów

17 Tematy prac magisterskich i licencjackich 1. 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 pionnukleon (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

18 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).

19 Tematy prac magisterskich i licencjackich 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.