Fazy QCD: poszukiwania nowych form materii jądrowej

Fazy QCD: poszukiwania nowych form materii jądrowej

Quark Gluon Plasma (równanie stanu) Gas bezmasowych cząstek w temperaturze T : Równanie Stanu Stefana- Boltzmana (P ciśnienie, ε - gęstość energii): P SB = 1/3 ε SB = 2 π 90 gt 4 g - ilość stopni swobody cząstek w T 7/8 redukcja przestrzeni fazowej fermionów względem bozonów ~(13 T 4 ) dla porównania gaz pionów ε = π 2 /30 *3*T 4 ~T 4 QGP ma znacznie większą gęstość energii (u,d,s)

Quark Gluon Plasma (przewidywania) 1/GeV=0.197fm GeV 4 13*(0.17) 4 / (0.197) 3 = ~1GeV/fm 3 ~1GeV/fm 3 to też energia zamrożona hadronie-> n/p nukleonie i potrzebna do zerwania wiązań przejście fazowe pomiędzy gazem hadronowym a QGP kolorowych "lattice QCD T c ~170 MeV

Znikanie uwięzienia melting potentials (lattice QCD)

Gęstość energii w zderzeniu Szacunkowe liczby: formuła Bjoerken a ε τ 1 det ( τ ) τ A dy 0 BJ ( 0) = 0 Czas τ 0: τ form =ħ/<m T >(τ form ) ħ/<m T > final = 0.35 fm/c τ therm 1 fm/c!!!! mierzone Konserwatywne oszacowanie gęstości energii w punkcie zderzenia i thermalizacji ε(form) > 15 GeV/fm 3 ε(therm) > 5.4 GeV/fm 3 dla Au+Au przy 200 GeV Te wartośći energii> 1 GeV/fm 3 otrzymanej z obliczeń na siatkach QCD jako energii potrzebnej na przejscie fazowe do plazmy QGP!!

QuarkGluonPlasma, obserwable? pierwsze sugestie : wzrost krotności produkcji dziwności w stosunku do pp redukcja produkcji J/Ψ w A+A 1 10 100 s

Produkcja dziwności na SPS Zwiększenie dziwności w stosunku do zderzeń pp Poprawny opis przez rozkład makro-kanoniczny- jaki jest mechanizm termalizacji (QGP?)

RHIC produkcja pęków ( jet ) pomiary pływu materii jądrowej ( flow )

RHIC s Experiments STAR 3.83 km obwód 2 niezależne ringi Zderzenia AuAu, pp, dau, CuCu Center-of-Mass Energy: 500 GeV dla p-p; 200 GeV/nucleon dl Au-Au Luminosity Au-Au: 2 x 10 26 cm -2 s -1 ; p-p : 2 x 10 32 cm -2 s -1

Program BES na RHIC

top view Pływ (flow) materii jądrowej reaction plane K + p semi central collisions ν 2 duże ( elliptic flow ν 1 duże directed)

Directed & Eliptic flow z oś wiązki direct flow Eliptic Flow: anizotropia w przestrzeni zamienia się w anizotropie w rozkładów pędów. Jest efektem istnienia gradientu ciśnienia w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiązki

Przykład : pływ protonów z reakcji A+A P. Danielewicz, R. Lacey, W.G. Lynch, Science 298 (2002) 1592 dn/dφ (1 + 2v 1 cosφ + 2v 2 cos2φ) energia w układzie NN

Eliptic flow: podobieństwo do zachowania idealnej cieczy

Anizotropia emissji cząstek eliptic flow bardzo duże ν 2 materia jest nieprzejrzysta - przypomina ciecz a nie gaz! hierarchia mass: lekkie cząstki płyną szybciej niż ciężkie skalowanie przez liczbę partonów (n q ) (nie masę cząstek!) daje spójny obraz?! rekombinacja partonów? pływ buduje się we wczesnej fazie na skutek oddziaływań między partonowych - partony są jego swiadkami opis przez równania hydrodynamiki cieczy idealnej!

Skalowanie NCQ: bariony vs mezony mezon barion kierunek obserwacji bariony mezony mezon (2 kwarki) ma średnio mniejszy wypadkowy pęd niż barion (3 kwarki) w danym kierunku skalowanie z liczbą kwarków! pęd/ ilość kwarków w cząstce

"Jety" Jet w reakcji e + e STAR Au+Au (jet?) event Jety w zderzeniu ciezkich jonow Au+Au?

Produkcja jetów w e+e- R= σ(e+e- hadrons)/ σ(e+e- µ + µ - ) R = N c u, d, s ρ, ω, φ 2 α S ( s) ( eq ) 1 + + π m g 2 V V 2 Im A V ( s) s s thres ~(1.5GeV) 2 : pqcd continuum s < s thresh : Av(s) funkcje spektralne mezonów wektorowych u = 2/3e d= -1/3e s= -1/3e c = 2/3e b = -1/3e t = 2/3 e

Produkcja jetów w e - p e - Jet: pęk hadronów produkowany w wysokoenergetycznych zderzeniach proton-proton lub e+e-. Hadrony pochodzą z fragmentacji kwarków lub gluonów z dużym pędem transwersalnym p f q (x) hadron D h q (x) dσ ( ep > hx ) 2 = Nc eq dx q f q ( x) D h q ( x) f q (x) funkcje struktury protonu prawd. rozkładu kwarku q w funkcji części pędu x protonu D h q (x) - funkcje fragmentacji kwarku q w hadron h (np. pion)

Redukcja jetów w QGP Strata energii partonu poruszającego się w materii wypełnionej ładunkami kolorowymi obserwacja: tłumienie pojedynczych cząstek (hadronów) lub całych pęków (jetów)

Czynnik R AA 1. Porównanie przekrojów czynnych Au+Au do N-N 2. Porównanie Au+Au centralne/perryferyjne Nuclear Modification Factor: R AA 2 AA d N / ( pt ) = 2 NN T d σ AA dpt dη / dp dη T nucleon-nucleon cross section AA <N binary >/σ inel p+p AA AA Nie ma efektu gdy: R AA < 1 dla małych p T (oddziaływanie początkowe z pociskiem i tarczą) R AA = 1 dl dużych-p T, gdzie dominuje "twarde" zderzenia Efekt redukcji gdy: R AA < 1dla dużych p T!

Au-Au s = 200 GeV: redukcja dla >p T! R AA = Yield AuAu / N Yield binary pp AuAu PRL91, 072301(2003)

Czynnik R AA dla mezonów Tłuminie produkcji mezonów o dużym p T w centralnych reakcjach A+A :

"Redukcja jetów" Medium No Medium! Nucleusnucleus collision Proton/deuteron nucleus collision Zderzenia małego z dużym jądrem są czułe na efektu "zimnego jądra" Porównanie d+a i AA daje informacje efektach stanu końcowego i początkowego

Peripheral Au + Au opposite-side jets STAR PRL 90, 082302 (2003) D ( Au + Au) = D ( p + p) + B(1+ v cos(2 φ)) 2 2 2 2 Central Au + Au near side away side peripheral central d + Au control obserwacja skorelowej emisji hadronów w zderzeniach Au+Au-> Jety!

Znikanie ewidencji "jetów" w RHIC(brak korelacji) W zderzeniach Au+Au, pęki ("jety") są silnie tłumione nieobserwowane w zderzeniach d+au! Supresja jest efektem stanu końcowego Dyspacja energii partonów w czasie propagacji w "kolorowym" medium

LHC: 2010-2018 podana zcałkowana świetlność L INt (zależna od intensywności wiązki i czasu eksperymentu) Przy jej pomocy można obliczyć ilość zliczeń z procesu o znanym przekroju czynnym σ N = L INT σ

ALICE

Detektor CMS ECAL pseduorapidity η -ln (tan (θ/2)) HCAL kalorymetr hadronowy ECAL kalorymetr elektromagnetyczny Tracker (inner detector)- detektor śladowy

Rekonstrukcja cząstek w CMS fotony Miony

CMS di-muons

ATLAS

Akceptancja geometryczna

Produkcja cząstek na LHC

Ciecz idealna.. LHC RHIC Prównanie wartości pływu z obliczeniami hydrodynamicznymi Ciecz prawie idealna jest scharakteryzowana przez wsp. Lepkości (η) od entropii (s)

Łamanie skalowania n q dla v 2 inaczej niż dla RHIC!!

Jets/Hard probes nuclear matter

Brak atenuacji bezbarwnych cząstek CMS

Atenuacja produkcji naładowanych hadronów

Jets-CMS sygnał di-mionowy w połączeniu z kalorymetrem duża asymetria w energii jetówróżne drogi w materii jądrowej jet z mniejszą energią stowarzyszony z emisją cząstek poza głównym stożkiem

Zagadka: istnienie korelacji w emisji (2) cząstek Powstawanie struktury ridge grzbietów w f. korelacyjnej

Zależność straty energii jetów od masy kwarków Po raz pierwszy możliwość separacji jetów zawierających ciężkie kwarki b: b-tagging

Tłumienie jetów

Zmiana charakteryski tłumienia Tlumienie Jetów na RHIC Tlumienie jetów na LHC

Termometr z kwarkonium Stany radiacyjne ϒ (bb) ϒ(1S) 9460 MeV ϒ(2S) 10023 MeV ϒ(2S) 10352 MeV bardzo małe szerokości rozpadu! ~20-50 kev!

Sekwencyjna supresja stanów ϒ CMS Znikanie wyższych wzbudzeń radiacyjnych ϒ

Hierarchia znikania stanów ϒ Korelacja pomiędzy stopniem atenuacji stanów ϒ a ich energią wiązania

Freeze-Ou Heavy Ion collisions : micro-bang Time: 0 10-15 fm/c e + e+ Au + Au @ 20 AGeV e - NN-coll. e- QGP Hadron Gas e+ e- Thermal radiation π/k/η/ω/φ.. e+e- are emitted AND detected from the whole collision process Hadrons π/η/ω/ρ/... detected only from the freeze-out Hadrons yields from freeze-out can be directly measured AND converted to dilepton yield (π 0 ) e+e-γ, ω/ρ/φ e+e-,.. ( hadronic cocktail) BUT BR for decays ~ 10-5! Thermal radiation can be extracted from measured - cocktail

Dileptons: messangers of QCD structure In Vaccum Saturated by Vector Mesons ρ (cτ ~1.5 fm) ω (cτ ~24 fm) φ (cτ ~44 fm) N c u, d, s 2 α S ( s) ( eq ) 1 + + π

ρ/a 1 chiral brothers.. [Weinberg 67, Das et al 67] 1 ds ( ρv ρ A) = f s ds ( ρv ρ A) = m q 2 π qq ds s ( ρ ρ ) = cα ( qq) V A s 2 ρ [Weinberg 67, Das et al 67; Kapusta+Shuryak 94] a 1 qq in vacuum ρ-a 1 mass splitting due to χs breaking (~ f π,, )

π ρ (1232) R(N*/ ) ρ ρ ρ + N -1 N -1 In medium ρ mas In medium ρ spectral function: hadronic models : pion loop modifications and direct particle-hole couplings +... Rapp, Wambach, Adv. Nucl. Phys. A25 (2000)1 ρ B /ρ 00 0.1 0.7 2.6 Σ ρππ Σ ρr(, N*) dominant role of baryonic resonances Signature of χsr: Overlapping of ρ/a 1

Hunting Chiral restoration in QCD phase diagramme Dielpton Production: dynamical process needs modelling of reaction dynamics Freeze-out points from analysis of hadron yields from many experiments in LHC, RHIC,SPS, SIS18 with Statistical Hadronization Model EOS of hadron gas and QGP from lqcd Initial paramters from exp: to hadron mult., flow, Evolution of T, µ b from EOS J. I. Kapusta et al., Phys. Rev. C 66 (2002) 014903 R. Rapp, J Wambach and H. Hess : arxiv: 0901.3289 CG FRA: Phys. Rev. C 92, 014911 (2015) CG GSI-Texas; Eur. Phys. J A52(2016) 131 Ar+KC

Dielepton spectrum from urhic > 5 fm (LMR) > 0.1 fm (IMR) Hadrons in thermal bath -> dileptons IMR radiation from early phase of collisions black body radiation T of the source LMR - given by inmedium spectra function of ρ (Im D ρ )

Di-muons from Na60- a superb example of signal extraction Raw spectrum signal Thermal radiation

LMR from SPS to RHIC Na60 SPS In+In @ 158 GeV ( s=17.3 GeV) Thermal radiation (µ+µ-) RHIC T~200 MeV s Data : Na60 EPJC 59 (2009) 607 calculations: Hess/Rapp: NPA806(2008)339. General conclusion from UrHIC: LMR dominated by thermal radiation from modium modified ρ baryons are driving force for observed melting of the ρ meson over all energy