Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie punktu krytycznego w eksperymencie NA61/SHINE przy SPS CERN Magdalena Kuich Uniwersytet Warszawski, Wydział Fizyki Sympozjum doktoranckie Warszawa Fizyka Kraków 4 III 2016, Kraków Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 1 / 14
Contents 1 Motivation 2 Investigation strategy 3 Onset of deconfinement Analysis methods Results QGP signatures 4 Critical point Analysis methods Results 5 Summary Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 2 / 14
How to understand phases of interacting matter electromagnetic interactions Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) strong interactions Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 3 / 14
p Our thermometer NA61/SHINE detector ~13 m MTPC-L ToF-L Vertex magnets ToF-F VTPC-1 GAP VTPC-2 Target TPC Beam PSD S4 S5 V0 x S1 S2 CEDAR THC V1 V1 BPD-1 BPD-2 BPD-3 y z ToF-R MTPC-R (Be+Be collision at 75A GeV/c measured in the NA61/SHINE detector) A large acceptance hadron spectrometer Beam particles measured in set of counters and detectors Charged tracks measured in set of 5 TPCs measurement of q, p and identification via de/dx 3 ToF walls: identification via time of flight measurement Projectile Spectator Detector counts the non-interacting nucleons of the beam nuclei JINST 9 P06005 Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 4 / 14
The way to search the strong interaction programme of NA61/SHINE Two-dimensional scan in collision energy and the system size translates into scan of the phase diagram of strongly interacting matter (CERN-SPSC-2006-034): Freeze-out parameters T (MeV) 200 180 p+p 150A GeV/c NA61 collected data 13A GeV/c C+C 160 Si+Si Pb+Pb p+p 140 NA49 Be+Be Ar+Sc 120 NA61 future data Xe+La Pb+Pb 0 200 300 400 500 600 µ (MeV) B The scan allows to study the onset of deconfinement and search for the critical point of the phase transition - the onset of deconfinement via measurements of particle multiplicities - the critical point via study of fluctuations PRC73:044905 shine.web.cern.ch Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 5 / 14
Onset of deconfinement Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 6 / 14
Entries 14509 Mean 1.262 RMS 0.07598 0 Analysis methods h analysis method estimates number of π in large phase space Measurement of the average energy loss ( de/dx ) in the TPCs allows to separate particles of various masses which combined with measurements of particle time of flight (tof ) in the ToF detectors provides excellent separation of different hadron species close to the mid-rapidity region. Thanks to these methods we can identify particles. de/dx [arb. units] 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 Mean 0.1257 measure RMS points 0.3068 fitted function fitted pions 900 800 700 600 500 px Entries 18224 Mean 1.116 RMS 0.06219 fitted kaons fitted protons 400 300 200 0 counts 4 3 2 p negative particles 7.94 < p Tot 0.3 < p T - K <.00 [GeV/c] < 0.4 [GeV/c] - π hist_0_9_4_0 e CC_1 mass 2 [GeV 2 /c 4 ] 0.5 0 0.5 1 1.5 1400 py 1200 Entries 18224 Mean 0.1257 RMS 0.3068 00 800 600 400 200 0 p K π 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 de/dx [a.u.] Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 7 / 14
Results p [GeV/c] T 1.4 1.2 π in p+p 158 GeV/c EPJC74:2794 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 4 y 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 dn dy 7 6 5 4 3 2 1 π in Be+Be 158A GeV/c p+p NA61/SHINE preliminary 150A GeV/c Be+Be; 0-5% Be+Be; 5 - % Be+Be; - 15% Be+Be; 15-20% 0-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 y spectra of π obtained with h analysis method in p+p and Be+Be interaction one kind of particles but broad phase space y = 1 E+pz ln 2 E p z example of spectra obtained with de/dx and tof de/dx analysis methods in p+p 80 GeV/c and K + p T spectra for various energies identification of 6 kinds of particles but in smaller phase space [GeV/c] p T K + in p+p 80 GeV/c 1 0.8 0.6 0.4 0.2 NA61/SHINE preliminary 0 1 0 1 2 3 y 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 [1/(GeV/c)] d 2 n dydp -1 T -2 K + p T spectra + 1 p+p K + X 0.0 < y < 0.2 158 GeV/c 8 80 GeV/c 6 40 GeV/c 4 30.9 GeV/c 2 20 GeV/c 1 NA61/SHINE preliminary -3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 p GeV/c T Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 8 / 14
QGP signatures (y 0) K + /π + 0.2 NA61/SHINE preliminary T [MeV] 400 + K y 0 NA61/SHINE preliminary 0.1 p+p Pb+Pb Au+Au SPS(NA61 p+p) WORLD(p+p, 4π) 200 p+p Pb+Pb Au+Au SPS(NA61 p+p) WORLD(p+p) AGS SPS(NA49) AGS SPS(NA49) 0 1 2 RHIC LHC(ALICE) 4 s NN [GeV] 1 2 RHIC LHC(ALICE) 4 s NN [GeV] In central Pb+Pb collisions a sharp peak in K+ π + SPS energy range... ratio at mid-rapidity is visible in Energy dependence of the inverse slope parameter T of kaon spectra exhibits rapid changes in the SPS energy range......what is interpreted as due to the onset of deconfinement. Shadows of these structures seem to be visible also in p+p interactions. Be+Be and Ar+Sc data soon. PRC69:044903, PRC79:034909(STAR); PLB736(ALICE), EPJC71:1655(ALICE) ZPC65(π), ZPC71(K), PRC72:014908(BRAHMS); EPJC71:1655(ALICE), PRL9:252301(ALICE) Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 9 / 14
Critical point Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 / 14
pt and multiplicity fluctuations of non-identified particles Σ strongly intensive measure used to study fluctuations (in GCE does not depend on its volume) PT sum of particle transverse momenta in a given event N particle multiplicity in a given event Σ [PT, N] = 1 hniω [PT ] + hpt iω [N] 2 (hpt Ni hpt ihni) ω [pt ] hni h i where: ω [PT ] = hpt2 i hpt i2 hpt i Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) ω [N] = hn 2 i hni2 hni Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... ω [pt ] = pt2 pt 2 pt Warszawa Fizyka Kraków 2016 11 / 14
Summary of search for the critical point using p T and N fluctuations in NA61/SHINE: p+p and Be+Be interactions No centrality dependence in Be+Be No sign of any anomaly that can be attributed to CP (both in p+p and Be+Be)... waiting for Ar+Sc results... M. Gaździcki, P. Seyboth, arxiv:1506.08141; based on T. Czopowicz, CPOD 2014 (slides and arxiv:1503.01619) Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 12 / 14
Summary Eksperyment NA61/SHINE bada materię oddziałującą silnie, w obszarze progu na produkcję plazmy kwarkowo-gluonowej. Eksperyment ma potencjał odkrywczy i wykonuje precyzyjne pomiary zderzeń hadronów: poszukuje punktu krytycznego materii oddziałującej silnie poprzez badanie fluktuacji produkowanych hadronów bada próg na produkcję plazmy kwarkowo-gluonowej przez pomiary widm średniej krotności cząstek a także wykonuje referencyjne pomiary widm hadronów dla eksperymentów neutrinowych (T2K, DUNE,... ) i promieni kosmicznych (Pierre Auger,... ) Pierwsze wyniki wskazują na brak sygnatur punktu krytycznego w zderzeniach lekkich jąder. Obserwowane są natomiast niespodziewane struktury w zależnościach energetycznych widm hadronów produkowanych w oddziaływaniach p+p. W eksperymencie uczestniczy około 150 fizyków z 30 instytucji na świecie, w tym 7 z Polski. Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 13 / 14
Moja rola w eksperymencie: badanie przejścia fazowego w oddziaływaniach Be+Be metodą tof de/dx, kalibracja prędkości dryfu elektronów w TPC, modernizacja i rozbudowa systemu pomiaru prędkości dryfu, obsługa, konserwacja i rozbudowa systemu gazowego komór TPC eksperymentu NA61. Dziękuję za uwagę. Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 14 / 14
Additional slides Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 15 / 14
Working principle of a TPC 3. electric signal is measured on the pad array readout plane time R magnetic field electric field (drift) 2. electrons drift towards the readout plane 1. primary particle ionises the gas R R R R R measured particle Voltage divider for the field cage field cage plate R HV Charged particle detaches electrons from the atoms of the gas (ionisation) The electrons drift in homogeneous electric field towards the readout plane Registered signal time and pad position allow for 3D track reconstruction Magnetic field (if any) is parallel to the electric field, so it doesn t affect the drift Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 16 / 14
Charge collection gas amplification on sense wires At the end of drift the electrons reach thin (φ 20µm) sense wires near the readout plane. The electric field is very high close to a thin wire: E(r) HV/r Electrons accelerate in the electric field and ionise atoms of the gas. The process repeats creating an avalanche of electrons. As the electrons get collected on the wire, they generate an electromagnetic pulse on the read-out pads, high enough to be registered by the electronics. The gas amplification effect is used in many other detector types: (multi-)wire chambers, Geiger counters, resistive plate chambers, GEM... Magdalena Kuich (Uniwersytet Warszawski) Badanie przejścia fazowego i poszukiwanie... Warszawa Fizyka Kraków 2016 17 / 14