Procesy dyfrakcyjne w wysokoenergetycznych zderzeniach hadronów na akceleratorze LHC

Transkrypt

1 Procesy dyfrakcyjne w wysokoenergetycznych zderzeniach hadronów na akceleratorze LHC Klasyfikacja rocesów dyfrakcyjnych Elastyczne rozraszanie rotonów Lidia Gőrlich Zakład Ultrarelatywistycznej Fizyki Jądrowej i Oddziaływań Hadronów ( NZ23 ) Seminarium IFJ PAN, Teoretyczny ois rocesów dyfrakcyjnych Pomiary ojedynczej i odwójnej dysocjacji dyfrakcyjnej Centralna dyfrakcja Podsumowanie Wielki Zderzacz Hadronów LHC zderzenia s = TeV s = 2 E zderzenia Pb-Pb S NN = 2.76 TeV oraz -Pb s NN = 5.02 TeV Ekserymenty: ALICE, ATLAS, LHCb, CMS & TOTEM, LHCf 1

2 LHC : w oddziaływaniach roton-roton rocesy dyfrakcyjne rzyczyniają się do ~50% całkowitego rzekroju czynnego σ TOT rozraszanie elastyczne ~26% s = 7 TeV, σ TOT 100 mb ojedyncza i odwójna dysocjacja dyfrakcyjna X 2 X 1 X 2 ~12.5% ~6.5% centralna dyfrakcja ( 1%) + X + oraz rocesy z ojedynczą i odwójną dysocjacją rotonu Protony rzeżywają oddziaływanie lub zostają wzbudzone do stanów o wyższej masie 2

3 Toologia rzyadków dyfrakcyjnych w oddz. - wiązka seudoraidity = η = θ ln[tan( )] 2 rozraszanie elastyczne ojedyncza i odwójna dysocjacja dyfrakcyjna Procesy dyfrakcyjne centralna dyfrakcja charakteryzują się obszarami w seudoraidity, w których nie obserwujemy rodukcji cząstek rzerwy w seudoraidity raidity gas ( RG ) identyfikacja rzerw w η (brak sygnałów w detektorze) rejestracja rotonów rozroszonych od b.małymi kątami w detektorach wsuwanych do rury akceleratora ( Rzymskie Garnki, Roman Pots )

4 Elastyczne rozraszanie rotonów analogia z dyfrakcją Fraunhofera w otyce rozraszanie elastyczne - Proton tarczy zachowuje się jak ochłaniająca kula. Falowa natura cząstek wiązki uwidacznia się w rozkładzie kątowym rozroszonych rotonów z silnym maksimum dla bardzo małych kątów i minimum dla większych. Analogia do obrazu dyfrakcyjnego kołowej rzeszkody w rzyadku dyfrakcji Fraunhofera Różniczkowy rzekrój czynny dσ/dt dla ustalonego s : dσ dt el ~ e B t t = ( ) 2 T 2 ( rzekaz czteroędu ) 2 Parametr B jest miarą wielkości obszaru oddziaływania (średniego arametru zderzenia) 4

5 Przekrój czynny na rozraszanie elastyczne CERN Intersecting Storage Ring ierwszy zderzacz rotonów ISR ( ) s = GeV dσ dt el ~ e B rośnie GeV -2 (ISR) 23.6 GeV -2 (LHC) B t LHC eks. TOTEM s = 7 TeV Rozraszanie elastyczne trudny recyzyjny omiar, detekcja rozroszonych rotonów od b. małymi kątami (~ 20 µrad, t ~ GeV 2 ) w detektorach tyu Rzymski Garnek Potwierdzenie rzez LHC ( s LHC ~100 s ISR ) obserwacji ekserymentów rzy ISR dσ el / dt : maksimum dla małych wartości t, węższe dla rosnącej energii, z minimum rzesuwającym się do mniejszych wartości t Promień rotonu rośnie wraz ze wzrostem energii zderzenia

6 Wymiana liczb kwantowych różni i Pomeron Teoria Reggego: teoria oddziaływań silnych orzedzająca chromodynamikę kwantową Rozraszanie elastyczne zachodzi orzez wymianę trajektorii Reggego o liczbach kwantowych różni zwanej Pomeronem α(t) arzystość rzestrzenna P = +1, arzystość ładunkowa C = +1, izosin = 0 d el 2[ α (t) 1] IP σ 2[α IP (t) 1] dt s ~ s 0 Trajektoria lp: α(t) = α(0) +α t t ( miękki Pomeron ) Elastyczny i całkowity rzekrój czynny związane orzez twierdzenie otyczne σ TOT ~ s α(0)-1 dla s, wymiana lp dominuje dla wysokich energii Teoria Reggego dobrze oisuje rocesy elastycznego rozraszania i miękkiej dyfrakcji ( rocesy z małymi T )

7 Chromodynamika kwantowa ( QCD ) i Pomeron QCD wsółczesna teoria oddziaływań silnych oisująca oddziaływania między kwarkami (sin ½, ułamkowy ładunek elektryczny) i gluonami (sin 1, Q=0) kwarki i gluony są obdarzone ładunkiem kolorowym QCD : wymiana Pomeronu wymiana co najmniej 2 gluonów ( singlet koloru ) Skomlikowana dynamiczna struktura drabinki gluonowej w granicy wysokich energii rozwój kaskady QCD wynika z równań ewolucji Balitskiego-Fadina-Kuraeva-Liatova twardy Pomeron, Pomeron BFKL Akcelerator HERA ( , s 300 GeV) Renesans badań nad dyfrakcją i naturą Pomeronu w oddziaływaniach elektron-roton lp ( J P = 1 - )

8 Nieelastyczna dyfrakcja Proces nieelastycznej dyfrakcji może zajść rzy sełnionym warunku koherencji : R roton << 1 / L roton tarczy uczestniczy w oddziaływaniu jako całość Ułamkowa strata energii rotonu : ξ = M x2 / s = 1 E / E < 0.15 Przerwa w seudoraidity η w ojedynczej dysocjacji dyfrakcyjnej (SD) η s ln 2 M X = 1 ln ξ Podwójna dysocjacja dyfrakcyjna (DD) ss 0 η ln 2 M XM 2 Y Energie LHC: masy M x, M Y w zakresie od (m + m π ) aż do ~ 1 TeV

9 MAGNES Dyfrakcja w ALICE ITS Identyfikacja rzerw w seudoraidity Zakres seudoraidity ~9 jednostek, lanowane oszerzenie do ~15 s = 0.9, 2.76, 7 TeV niska świetlność L < cm -2 s -1 ojedyncza dyfrakcja dn dη η VZERO FMD Analiza toologii rzyadków : detektory krzemowe: ITS, FMD hodoskoy scyntylacyjne: VZERO odwójna dyfrakcja dn dη η

10 Nieelastyczny rzekrój czynny σ inel = σ SD + σ DD + σ ND + + Nowe wyniki ekserymentu ALICE dobra zgodność z wynikami ekserymentu TOTEM centralne wartości eks. ATLAS i CMS trochę oniżej Klasyfikacja rocesów dyfrakcyjnych i niedyfrakcyjnych : kryteria toologiczne w oarciu o rzerwy w raidity Porawki do danych w oarciu o model rocesów dyfrakcyjnych Kaidalov et al.

11 ALICE : rzekroje czynne dla ojedynczej i odwójnej dyfrakcji SD i DD : toologiczna klasyfikacja rzy użyciu rzerw w seudoraidity s = 0.9, 2.76 i 7 TeV σ(sd) M x < 200 GeV ( η 7 ) σ(dd) η > 3 Dobra zgodność z danymi dla niższych energii i rzewidywaniami teoretycznymi (w zakresie dużych nieewności omiarowych)

12 Centralna dyfrakcja odwójna wymiana Pomeronu centralnie rodukowany system o małej masie M x ois rocesu w oarciu o formalizm teorii Reggego ( wymiana 2 miękkich lp, reggeonów ) + X + centralnie rodukowany system o dużej masie M x ois rocesu w ramach erturbacyjnej QCD ( fuzja dwóch gluonów ) X X Higgs, χ(cc) Pomiary rocesów dyfrakcyjnych ozwalają na badanie natury Pomeronu rzy użyciu modeli teoretycznych, na wielu oziomach abstrakcji

13 + X + Toologia rzyadków : rodukcja w obszarze centralnym + 2 rzerwy w seudoraidity Przyczynki od rocesów fizycznych : γ IP J PC = 1 -- J PC = 0 ++, 2 ++ IP IP Odderon IP J PC = 1 -- wymiana 2 Pomeronów (+ reggeony) Przewidywania teoretyczne ( wiele modeli ): Model KRM / Durham ( Khoze, Martin, Ryskin ) Pomeron BFKL + orawki absorcyjne Kraków, grua rof. Szczurka ( Szczurek, Cisek, Lebiedowicz, Maciuła, Schäfer ) wymiana fotonu i Pomeronu wymiana Odderonu i Pomeronu γ Odderon wymiana fotonu i Odderonu J PC = 0 -+ Odderon = 3 gluony 2 ++ Silne rzewidywanie QCD

14 Dlaczego badanie centralnej dyfrakcji jest ciekawe? IP Mechanizm rodukcji odwójna wymiana Pomeronu Wiele otwartych ytań: natura IP, σ CD, orawki absorbcyjne IP Liczby kwantowe stanu centralnego J PC = 0 ++, 2 ++ analiza lekkich mezonów skalarnych (M 2 GeV, J PC =0 ++ ) ich klasyfikacja stanowi zagadkę oszukiwania glueballi, związanych stanów gluonowych roces fuzji Pomeron - Pomeron zderzenie gluon - gluon [fb] Model DURHAM Centralna dyfrakcyjna rodukcja Higgsa Pierwsze race teoretyczne : Nachtmann, Białas & Landshoff ( ) ++ recyzyjny omiar masy Higgsa i jego liczb kwantowych mały rzekrój czynny, duże nieewności teoretyczne trudne ekserymentalnie Przekrój czynny na centralną rodukcję Higgsa w funkcji masy Higgsa, s = 14 TeV

15 Centralna dyfrakcja w ALICE ALICE w IFJ PAN NZ23 ( M. Kowalski ) Analiza zderzeń ciężkich jąder + centralna dyfrakcja w oddz. ( J. Figiel, L.Görlich, C. Mayer ) + X + ( + rocesy z dysocjacją rotonów ) selekcja rzyadków z dwoma rzerwami w seudoraidity + b. dobra detekcja cząstek naładowanych w obszarze centralnym czułość na małe ędy orzeczne cząstek, identyfikacja cząstek analiza centralnie rodukowanego systemu o małej masie, M X < 2 GeV K K +, π π π + π +, π X π + 15

16 Centralna dyfrakcja w ALICE : π Rozkład masy efektywnej układu π + rzyadki z 2 rzerwami w raidity vs. rzyadki bez rzerw w radity 1 = J PC (770) ρ (770) J PC =0 ++ f 0 f 0 (980) J PC =2 ++ f 2 (1270) Wstęna analiza danych 2010, s =7 TeV, L = 5 nb -1 =1 P J K 0 f 0 (500) J PC =0 ++? Przyadki z odwójną rzerwą w raidity : wzmocnienie stanów o J PC =0 ++, 2 ++ odwójna wymiana Pomeronu? 16

17 Centralna dyfrakcja + X + Detektor STAR na zderzaczu RHIC, s=200 GeV, omiar rotonów w detektorach Roman Pot Analiza danych : IFJ PAN: J. Chwastowski, B. Pawlik, J. Turnau AGH, Politechnika Krakowska x Ekseryment ATLAS na zderzaczu LHC ekskluzywna rodukcja π +, π M x < 3 GeV dane zarejestrowane rzy s = 7, 8 TeV + rojekt ATLAS Forward Physics M(ππ) [ GeV ] eksluzywna centralna rodukcja Higgsa, ALFA ~240 m ALFA ~240 m IFJ PAN: J. Chwastowski, Z. Hajduk, K. Korcyl, R. Staszewski, M. Trzebiński AGH Pomiar rotonów w detektorach Roman Pot

18 Podsumowanie LHC - możliwość badania wielu rocesów dyfrakcyjnych Procesy miękkiej dyfrakcji oisane rzez Teorię Reggego z wymianą fenomenologicznego Pomeronu Partonowa ( gluonowo-kwarkowa ) struktura Pomeronu testowana w twardych rocesach dyfrakcyjnych Centralna dyfrakcja : małe masy dyfrakcyjne analiza mezonów skalarnych (J PC = 0 ++ ), oszukiwania związanych stanów gluonowych, duże masy dyfrakcyjne - rodukcja nowych cząstek ( bozon Higgsa, cząstki suersymetryczne?? ) Planowane omiary rocesów dyfrakcyjnych w oddz. Pb-Pb i Pb Warto badać dyfrakcję!! Higgs

19 Dodatkowe transarencje

20 Ultraeryferyczne zderzenia ciężkich jąder Pb Pb 1 = J P Pb Pb Pb Pb J/ψ IP, IR 1 = J P Pb Pb Dyfrakcyjna dysocjacja nukleonów / całego jądra?? rocesy fuzji foton - Pomeron

21 Elastyczne rozraszanie - w modelu Islam et al. ( ) 3 kwarki walencyjne + owłoka ładunku barionowego model chiralnego worka ( chiral bag ) w obszarze niskich energii wysokie energie : chiralny worek zamknięty w kondensacie q-anty q t 1-4 GeV 2 oddz. owłok barionowych t > 4 GeV 2 oddz. kwarków walencyjnych drabina BFKL /lub oddz. gęstych chmur gluonowych otaczających kwarki małe t oddz. chmur kondensatu q-antyq

22