produkcja cząstek w wysokoenergetycznych zderzeniach ciężkich jonów
DESCRIPTION
Produkcja cząstek w wysokoenergetycznych zderzeniach ciężkich jonów. Dlaczego się tym zajmujemy? mechanizm powstania hadronów (podróż do początków wszechświata) własności materii jądrowej w stanach ekstremalnych (dużej temperatury i gęstości)-> równanie stanu materii jądrowej (ewolucja gwiazd) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
ProgramI) Ogólny opis produkcji cząstek:• zmienne kinematyczne opisujące produkcję cząstek• ogólna charakterystyka obszarów badań pod względem skali energii
(BEVELAC/SIS, AGS, SPS, RHIC,LHC)• model termiczny i statystyczny produkcji cząstek: założenia i porównanie z
eksperymentem• produkcja cząstek dziwnych, powabnych
II) Poszukiwanie plazmy kwarkowo-gluonowej• obserwacje „jet”-ów, czynnika jądrowego oraz pływu materii w zderzeniach URHIC
III) Metody eksperymentalne: przykłady detektorów (detektory będą omawiane przy okazji przykładów eksperymentów)
IV) Widma stanów hadronów wg. modeli kwarkowych/stany egzotyczne• Stany wzbudzone QCD: bariony, mezony(w szczególności z powabem –
„positronium w QCD” • symetria chiralna a pochodzenie mas hadronów• Modyfikacja mas w materii jądrowej
Produkcja cząstek w wysokoenergetycznych w zderzeniach
elementarnych i ciężkich jonów• Dlaczego się tym zajmujemy?• mechanizm powstania hadronów (podróż do początków
wszechświata)• własności materii jądrowej w stanach ekstremalnych
(dużej temperatury i gęstości)-> równanie stanu materii jądrowej (ewolucja gwiazd)
• własnośći oddziaływań silnych (QCD)• własności hadronów w gęstej i gorącej materii jądrowej
problem uwięzienia, mechanizm generacji mas hadronów
Back to big-bang
10 –6 sec 10 –4 sec 3 min 15 miliardów lat
Quark-GluonPlasma Nukleony Jądra at. Atomy Dziś
Natura
Experiment
Big-bang
Podróż do początku wszechświata
dzisiaj
powstanie galaktyk
dominacja materii
Nukleosynteza
Materia kwarkowo gluonowa
powstanie hadronów
Planck epoch
Grand unification
Hubble Expansion
Kalendarz wszechświata
Promieniowanie tła
Ekspansja Hubble
T = 100 MeV T = 1.16*1012 Ksłońce : T=1.1*107 K
Reakcje ciężkojonoweURHiC
Dowody na "wielki wybuch"
• Ekspansja wszechświata (prawo Hubbla)
• Promieniowanie tła
• Nukleosynteza
• Czy można odwrócić bieg czasu i odtworzyć hadrosynteze z materii Kwarkowo-Gluonowej?
Ekspansja wszechświata
Pomiar odległości poprzezpomiar jasności gwiazd zmiennych (Cefeidy)-wzorcowa
świeca wszechświata
Pomiar prędkości ucieczki gwiazd poprzezprzesunięcie ku czerwieni lini spektralnych gwiazd
(Efekt Dopplera)
Wyznaczanie stałej Hubble’a (H0)
H(t) = [dR(t)/dt]/R(t)stała Hubble’a H0 = H(t0)
orazz = H0d/c
Z- przesunięcie ku czerwieni długości fali fotonów
Stała Hubble’a jest z wielu względów najbardziej fundamentalnym parametrem kosmologicznym.
Charakteryzuje obecne tempo ekspansji Wszechświata.
Ta ostatnia zależność (prawdziwa dla z ≲ 0,2) daje nam pierwszą metodę pomiaru H0:
H0 = c z/dWielkościami, które należy mierzyć są:- przesunięcie ku czerwieni, z (dość łatwe),- odległość, d (metodą niezależną od prawa Hubble’a, oczywiście).
Ruchy własne galaktyk będą dawać naturalny rozrzut tej relacji.
Ekspansja wszechświataPomiar prędkości ucieczki gwiazd poprzez
przesunięcie ku czerwieni lini spektralnych gwiazd (Efekt Dopplera)
odbźrźródłaodb
źródłaodb
VVV
Vc
c
,
,0
f
smc )/10*3( 8
Vźródła
Słońce Daleka gwiazda
Linie absorpcji wodoru
p
e
Wyznaczenie odległości -cefeidy -
Porównanie jasności obserwowanej z kalibrowaną z okresu zmian jasności
Standardowe „ świece „ w astronomi L = L0/4d2
Prawo Hubble
Gwiazdy i galaktyki oddalają się od ziemi z prędkością (V) która zwiększa
się z odległością (D)
<H> = (72 ±8) km/s Mpc = 1/(15 ·109 lat)
E. Hubble, 1924 V = H · D
~ Hubble: co 5 sekund objętość wszechświata powiększa się o przestrzeń zajmowaną przez Drogę Mleczną
Wielki wybuch
Ekspansja ze stałą prędkością oznacza że przed 15 Miliardami lat powstał wszechświat.
Wiek wszechświata= D/V = 1/H
Pozostalość po wybuchu-poświata…promieniowanie ciała doskonale czarnego o T=2.725 K
2001-2006 Satelita WMAP odstępstwa od T=2.725 w skali 0.0002K !
Poświata z wszechświata który miał 380.000 lat i T=3000 K !
1989 satelita COBE
Wilson, Penzias’1964 -1978 Nagroda Nobla
Misja-WMAP co zawiera rozkład anizotropii- kątowe widmo mocy
Do obserwowanej mapy anizotropii dopasowuje się współczynniki alm następującego szeregu:
gdzie Ylm(θ,φ) są funkcjami kulistymi. Kątowe widmo mocy to zwykle zależność l(l+1)Cl/2π (moc kątowa) od l (liczba multipolowa), gdzie Cl zdefiniowane jest jako:
Intepretacja • Zakłada się ogólnie, że fluktuacje gęstości obecne we wczesnym Wszechświecie, a
będące następstwem procesów kwantowych, zostały powiększone przez inflację. Niezależnie od roli inflacji, przyjmuje się, że wczesny Wszechświat zawierał fluktuacje gęstości
• Przed rozproszeniem, większość materii we Wszechświecie stanowiła niebarionowa ciemna materia, z której to właśnie składały się przede wszystkim fluktuacje gęstości, nazwijmy je zgęstkami.
• . W tym samym czasie (przed rozproszeniem) promieniowanie bardzo silnie oddziaływało z materią barionową tworząc coś, co nazywamy cieczą fotonowo-barionową.
• W rozszerzającym się Wszechświecie efekty ciśnieniowe w cieczy fotonowo-barionowej nie mogły oddziaływać na odległościach większych od ct. W miarę upływu czasu, skala tych efektów rosła i kiedy osiągnęła rozmiary zgęstka ciemnej materii, w cieczy przyciąganej przez zgestek wzrosło ciśnienie, co prowadziło do reakcji rozprężenia cieczy. Ciecz zawarta w takim zgęstku mogła przejść kilka takich „oscylacji”. Zgęstki takie generowały więc fale akustyczne w cieczy fotonowo-barionowej
WMAP: mapa anizotropii
W pośrednich skalach (l = 50 – 1000), kątowe widmo mocy pokazuje efekt fal akustycznych w momencie ostatniego rozproszenia. W tym momencie, niektóre długie fale osiągały właśnie stan maksymalnej kompresji po raz pierwszy. Ta kompresja rozgrzewała nieco ciecz fotonowo-barionową, co spowodowało, że fotony CBR, które z tego miejsca zostały wysłane miały nieco większe energie. Przestrzenna skala anizotropii była rzędu ctdec (horyzont akustyczny), czyli około 380 tys. lat świetlnych ≈ 115 kpc. We Wszechświecie z płaską geometrią (k = 0), taka struktura odpowiada kątowi około 1º.
Pierwsze maksimum akustyczne (dopplerowskie) pojawia się więc dla l = 220.1 ± 0.8, pierwsze minimum – dla l = 411.7 ± 3.5. Dla wiekszych l pokazują się dalsze maksima akustyczne odpowiadające dwukrotnej, trzykrotnej, itd. kompresji.
maksima akustyczne
Nukleosynteza
0.25 4He/H
10−3 2 H/H
10−4 3He/H
10−9 7Li/H
Materia widzialna we wszechświecie składa się głównie z :wodoru (H), Helu (4He), deuteru (2 H) , trytu (3He) , Litu (7Li)
w stosunku;
Model W. Wybuchu odtwarza te stosunki!
Materia we wszechświecie
Znamy tylko 4% wszystkiego co nas otacza !!• co stanowi ciemną materię „Dark matter”?• co jest ciemną energią ?• dlaczego wszechświat „widzialny” składa się tylko• z materii a brak jest anty-materii?
Jak zbadać własności materii 10 mikrosekund po wielkim wybuchu?
Czy własności hadronów (ich masy, rozpady) były wtedy takie jak dziś?
poprzez produkcja cząstek w zderzenia relatywistycznych ciężkicj jonów
przed zderzeniem
Ekspansja i "zastygnieńcieskładników". Pomiar T
"fireball"
Quark-Gluon PlasmaZderzenie podgrzanie ikompresja
Materia jądrowa: 0 = 0.17 /fm3
0 = 0.16 GeV/fm3
Brak oddziaływań pomiędzy hadronami
= 1.2 /fm3
= 3 GeV/fm3
4*10 -23s 10 fm/c
1. Czas hadronizacji we wczesnym wszechświecie znacznie dłuższy ~ 30 s ( grawitacja !)2. Symetria materia-antymateria
Czas
Przebieg reakcji (ultra-relatywistycznej)
Ewolucja w czasie zderzenia (Bjorken)
e
Przestrzeń
Czas jet
AuAu
Eks
pans
ja
p K
QGP
e
T = 170 MeV = 0.6GeV/fm3
T = 120 MeV = 0.06 GeV/fm3
T = 230 MeV = 3 GeV/fm3
To = 0 MeVo = 0.16 GeV/fm3
200 AGeV "collider"
Quark-Gluon Plasma
Nuclear matter
Density (Kg/m3)
Tem
pera
ture
(K
)
1x1012
2x1012
3x1012
4x1012
3x1012
00 1 x 1018 2 x 1018
Diagram fazowy materii jądrowej
trajektoria reakcj A+A
Jak określić temperaturę?
Z widma promieniowania fotonów (innych cząstek?)
Dla wszechświata dzisiaj- promieniowanie tła (2.73 K)
Np: dla słońca poprzez pomiar fotonów i prawo Plancka
Pomiar temperatury powierzchni słońca
T = 6000 Kgęstośc fotonów = 4 ·1012 Photon/cm3
Widmo fotonów: rozkład bozonów Plancka
długość fali (nm)
Inte
nsyw
ność
M. Planck 1900
1)/exp(),(
3
kThv
hvATv
Pomiar temperatury materii poprzez pomiar widm emitowanych cząstek
T = 100 MeV T = 1012 K
Widmo pionów
100 000 bardziej gorące niż słońce !
Inte
nsyw
noś ć
Energia kinetyczna
Nachylenie widma~Temperatura
w momencie zastygnięciafireball
thermall freeze-out
Slope
T = 100 MeVRozkład Boltzmana cząstek termicznych (nierelatywistyczny):
kTE
TEkTEcdE
dn
K
Kkk
2
3
)/exp()( 2/3
Określenie abundancji cząstek pozwala na określenie temperatury i gęstości materii w momencie produkcji hadronów
"chemical freez-out"
Energia termiczna (kT) może być zamieniona na energię nowych cząstek (mc2 )
Prawdopodobieństwo produkcji rozkład Bolztmanadn~ m-3/2exp(-Ekin/kT)
Kula ognista rozszerza się z prędkością V. Materią uległa kompresji:Ekin 3/2kT + ½ mV2
T = 120 MeV Vekspansji = 0.55 ckeine Expansion
Tem
pera
tura
Massa cząstki
Obserwacja: ‘Temperatura zależy od masy cząstek "
powód:
bez ekspansji źródła
Rozszerzająca się „kula ognista”
Charakterystyka „mikro-wybuchu”
130 MeV
Energia wiązki
prp
ręd
koś
ć ro
zsz.
[v/
c]
Tem
per
atur
a [M
eV]
[GeV]√sNN
GSI/Bevelac FAIR CERN RHIC LHC
10-30 158 [A GeV]
17 200
// // //
// // //
//
//5.5 TeV!
Bariony Hadrony(mez+barion) Partony(SQGP) ????
+ partrony?
5-8 2
1-2
Akcelaratory
GSI/ Bevelac AGS SPS RHIC
(collider!)
LHC
(collider)
EKin/A [GeV] 2 10-15 40-200 100 2700
[GeV] 2.7 4.5 8.8-19.4 200 5500NNS
NN->NN X X=mezon, para barion antybarion
Energia progowa: s=2*MN + MX
• ale do tworzenia cząstek o nowym zapachu potrzeba więcej energii (stowarzyszona produkcja!)
np dziwność: NN->N K+ (S=1) (S=-1)
GSI-GSI-FAIRFAIR (od 2014) (od 2014)
SIS 100
U28+ 2.7 GeV/u 1012 ions/sprotons 30 GeV 2.8x1013/s
2T (4T/s) magnets
SIS 300
U92+ 34 GeV/u 1010 s
6T (1T/s) magnets
Secondary Beams
Radioactive beams up to 1.5 GeV/uAntiprotons up to 30 GeV
Storage and Cooler Rings
Radioactive beams e-A colliderHESR: Antiprotons 1.5- 15 GeV
HADES
PANDA
SIS 18
U73+ 1.0 GeV/u 109 ions/sNi26+ 2.0 GeV/u 1010
protons 4.5 GeV 2.8x1013/s
18Tm (1.8 T magnets)
p = Z/A*0.3*B*R [T, GeV/c]
AGS : 1986 - 2000• Si and Au ; up to s =5 GeV /nucl pair• only hadronic variables
RHIC : 2000• Au ; up to s = 200 GeV /nucl pair• hadrons, photons, dileptons, jets
SPS : 1986 - 2003• S and Pb ; up to s =20 GeV/nucl pair• hadrons, photons and dileptons
LHC : 2007• Pb ; up to s = 5.5 TeV/nucl pair• ALICE /ATLAS/ CMS experiments
Energie in einer Blei-Blei Kollision
1150 TeV = 0.18 mJ
Faktor 300 höher als in SPS Experimenten
sehr heisser Feuerball!
T = 1000 MeV
Large Hadron Collider
LHC am CERN