fisica subnucleare modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti 3 a lezione dr....

Fisica Subnucleare

Modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti

3a lezione

Dr. Francesco Noferini

1Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Sommario del modulo

• Motivazioni: il deconfinamento• Collisioni nucleo-nucleo• Risultati sperimentali in collisioni nucleo-

nucleo (SPS,RHIC)• Risultati ad LHC e prospettive


Modelli termici vs. produzione adroni

• Modello Gran Canonico – No vincolo sul numero di particelle prodotte– Produzione degli adroni:

– Vinconlo sulla conservazione numeri quantici dello stato iniziale su 4π

• Numero barionico totale: ΣNiBi = Z+N

• Stranezza totale: ΣNiSi = 0

• Isospin: ΣNiIi = (Z – N)/2

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 3

pd

T

SB

gVN

chem

isiB

ii

3

i

3

1E

exp

1

2 /

4

Dinamica del QGP: rapporti di particelleLa misura della temperatura al freeze out chimico e dei potenziali chimici associati al sistema può essere estratta dall'osservazione dei rapporti tra le diverse specie di particelle.

L’estensione di una simile analisi a LHC richiede di fatto una buona capacità di identificazione delle particelle prodotte!

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

5

short

liv

ed

reso

nance

s

Tch

s

STAR white paperNucl Phys A757 (05) 102

•Tch ≈ TC ≈ 165 ± 10 MeVChemical freezeout ≈ hadronization.•s ~ u, d La stranezza è all’equilibrio termico.

Chemical freeze-out

pd

T

SB

gVN

chem

isiB

Ss

ii

i 3

i

3

1E

exp

1

2

/


Soppressione del Quarkonio e aumento della stranezza e della produzione del

mesone Φ

Produzione di quark sms ~ Tc

u,d,s

Soppressione QQ

6Fisica subnucleare - F. Noferini lunedì 16/05/11, 12-14

Aumento della stranezza (SPS)


NA57: JPG32, 427 (2006)

Aumento della stranezza (RHIC)


STAR: PRC77, 044908 (2008)

Sopressione della J/ψ


Matsui and Satz hanno predetto la soppressione della produzione di J/ nel Quark Gluon Plasma (1986)

Debye screening• Nel plasma è previsto che il potenziale di interazione sia nullo

oltre una certa distanza D (Debye screening).

• Gli stati di Charmonio (cc) e bottonio (bb) con dimensioni > D non possono esistere nel mezzo

• Gli stati quarkonio sonoconsiderati un termometroper la transizione di fase


SPS: J/ψ suppressionSoppressione della J/ψ in funzione della densità di energia nella collisione.


00

1

y

dy

dE

Sc

Bjorken’s formula

Transverse dimension S :2PbRS 3/1fm2.1 ARA

fm1.7)208(fm2.1 3/1 PbR2fm160S

12

RHIC: J/ψ suppression


Johanna Stachel

15

Strong QGP: il flusso ellittico

L’espansione è guidata da un gradiente di pressione

Le particelle sono emesse più probabilmente lungo il piano di reazione

dN/d

φ

2v2

13

3

cos212

1

nRn

tt

nvdydpp

dN

dp

NdE

Fisica subnucleare - F. Noferini

Martedì 17/05/11, 15-17

Hydro+Jet model

Colore: parton densityPunti: mini-jets

Au+Au 200AGeV, b=8 fm

Hydro+Jet Hydro+Jet modelmodel (T.H. & (T.H. &

Y.Nara (’02))Y.Nara (’02))

x

y


17

Elliptic flow - caratteristicheElliptic flow - caratteristiche

• L’anisotropia geometrica che è all’origine dell’elliptic flow si attenua con l’evoluzione del sistema– Anche in caso di espansione libera (sistema non interagente) l’eccentricità della fireball

diminuisce con l’aumentare della dimensione del sistema

• I gradienti di pressione che sono all’origine dell’elliptic flow sono più forti nei primi istanti dopo la collisione

• L’elliptic flow è quindi particolarmente sensibile all’equazione di stato (i.e. velocità del suono) delsistema nei primi istanti della collisione 17Fisica subnucleare - F. Noferini

Martedì 17/05/11, 15-17

18

Risultati di RHICConfronto del flusso ellittico con un modello idrodinamico.

Il “QGP” è un fluido Il “QGP” è un fluido ideale (fortemente ideale (fortemente interagente) a interagente) a viscosità quasi nulla.viscosità quasi nulla.


PR

L 92

(20

04

) 05

23

02

; PR

L 91

(20

03

) 18

23

01

P. Sorensen

19

L’anisotropia di tipo ellittico segue uno scaling con il numero di partoni costituenti:

Se il flusso ellittico è prodotto nella fase partonica, quando il sistema adronizza ogni particella riceve un v2 e un pT in dipendenza del suo contenuto di quark.

TT

h pn

nvpv1

)( 22

Coalescenza


PR

L 92

(20

04

) 05

23

02

; PR

L 91

(20

03

) 18

23

01

P. Sorensen

20

1 2 3 4 5 [GeV/c]

10-1

10-2

10-3

10-4

dN/p

Tdp

Tdy


TT

h pn

nvpv1

)( 22

Coalescenza (II)

Jet Quenching (Gluon Strahlung):(Baier, Schiff, Zakharov, hep-ph/0002198; Baier, NPA715(03)209)

x=/E<<1

● Vacuum:


Jet quenching in parton medium

Baier, Dokshitzer, Mueller, Peigne‘, Schiff, NPB 483 (1997) 291. Salgado, Wiedemann, PRD 68(2003) 014008.Dokshitzer and Kharzeev, PLB 519 (2001) 199. Armesto, Salgado, Wiedemann, PRD 69 (2004) 114003.

path length L

kT

Energy loss dipende da:

2

ˆTk

q , medium transport coefficient

color coupling factor: 4/3 per q, 3 per gRC

2 ˆ LqCE Rs

(BDMPS-WS)

“Dead cone” effetto per quark molto massivi: Nel vuoto, la radiazione di gluoni è soppressa a q < mQ/EQ


Dead cone

23

Mass effects on radiation: nel vuoto c’è il cosiddetto “dead cone effect” per particelle molto massive

● Dokshitzer, Kharzeev (PLB519(01)199)Hanno proposto che la stessa cosa avvenisse nel mezzo ma non si ha avuto ancora nessuna evidenza sperimentale


24

Un mezzo “colorato”: Il Jet Quenching

Rapporto tra i prodotti in collisioni AuAu e collisioni pp.

Fotoni: no interazione con il mezzo.

Adroni: interazione con il mezzo


ppTcoll

AAT

TAA dpdNN

dpdNpR

/

/

0

0


Dipendenza di q dalla centralità

A. Dainese, C. Loizides and G. Paic, Eur. Phys. J. C 38, 461-474 (2005)

Un buon accordo con I dati è ottenuto per un valore:q ~ 14 GeV2/fm^

^


Modificazione della strutura del jet a seguito dell’interazione con il mezzo

N. Borghini and U. A. Wiedemann, hep-ph/0506218 &ALICE PPR Vol. II, Chapter 6


Geometria della collisione

L1

L2

Proprietà:

• L1≠L2

• Forte dipendenza dal parametro d’impatto (b)

• ΔEi aumenta con Li

Produzione di una coppia di Jet

28

Correlazioni di particelleIl metodo tradizionale consiste nel considerare le distanze angolari tra una particella ad alto pT (particella leading) e tutte le altre particelle dello stesso evento con un pT elevato.

Definite le due soglie di impulso trasverso (pT

lead, pTassoc) si considerano gli eventi con

almeno una particella carica di pT > pTlead e si

graficano le distribuzioni angolari di tutte le particelle dell'evento con impulso pT > pT

assoc.

In tal modo si selezionano le correlazioni delle particelle appartenenti al jet la cui direzione è data dalla particella leading dell'evento.



Risultati di STAR sulle correlazioni a 2 particelle

Phys.Rev.Lett.91:072304,2003

[STAR Collaboration]arXiv:nucl-ex/0604018

Aumentanto il pT della particella di trigger le correlazioni back-to-back tornano visibili.

In questo pT range, solo per collisioni AA centrali, le correlazioni back-to-back sono soppresse.

4 < pTtrig < 6 GeV/c

2 GeV/c < pTcorr < pT

trig

RHIC: Correlazione a due particelle

Au+Au periferici Au+Au centrali

|ηparticle| < 0.7Ptrig > 4 GeV/c, Pcorr > 2 GeV/c


31

Ancora sui risultati di RHIC: correlazioni a 2 particelle

In basso è riportata la dipendenza della soppressione delle correlazioni back-to-back in funzione della centralità della collisione.

D + Au

AuAu central

J. Adams et al. [STAR Collaboration], Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 072304 J. Adams et al. [STAR Collaboration], Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 162301

No centrality dependence

Suppressed when centrality increases

trigT

assocT

trigT

ppp

GeV/c2GeV/c64

GeV/c8trigTp

32

periferichecentrali

Dipendenza dalla centralità

Contropicco: Sopressione del jetSpostamento del picco: Risposta del mezzo


33

Three regions on away side:center = (, ) ±0.4corner = (+1,+1) ±0.4 x2cone = (+1,-1) ±0.4 x2

away

near

Medium

mach cone

Mediumaway

near

deflected jets1

2

0

0

1

2

0

0

pTtrig=3-4, pT

assoc=1-2 GeV/c2-particle corr, bg, v2 subtracted

φ2=

φ2-φ

trig

d+Au min-bias

dN

2/d

Δφ

1dΔ

φ2/N

trig

φ1=φ1-φtrig

φ2=

φ2-φ

trig

Au+Au 10%

difference in Au+Auaverage signal per

radian2:center – corner = 0.3 ± 0.3 (stat) ± 0.4

(syst)center – cone = 2.6 ± 0.3 (stat) ± 0.8

(syst)

conical flow? 3-particle correlation

L’effetto Mach cone non si vede nei dati

L’effetto Mach cone non si vede nei dati


34

• Analisi in 2 dimensioni• Allungamento in Δ

sotto il picco del jet: il “ridge”

Correlazioni in due dimensioni: Δ- Δ

beam direction

ridge

ridge

jet

jet+ridge

p Ttrig

ger =

3-6

GeV

/c,

1.5

GeV

/c <

p Tasso

ciat

ed<

p Ttrig

ger

Fisica subnucleare - F. Noferini

Martedì 17/05/11, 15-17

Commenti• Il cosiddetto QGP (plasma di quark e gluoni) è stato investigato

intensivamente al SPS e soprattutto a RHIC• Evidenze di una fase all’equilibrio termodinamico sono state

riportate (rapporti di particelle vs. modelli statistici)• Le proprietà osservate sono associabili alle dinamiche di un

fluido più che a un plasma vero e proprio (gas perfetto), fortemente interagente via QCD (Jet Quenching, elliptic flow)

• Diversi osservabili rivelano la natura partonica dei costituenti del mezzo (J/ѱ suppression, elliptic flow)

• LHC (e in particolare ALICE) investigheranno nuovi effetti in regimi ancora più estremi sulla scia di quanto già osservato a RHIC


fisica subnucleare modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti 3 a lezione dr....

Documents