Due pdy poprzeczne w zderzeniach relatywistycznych jonw Konferencja

Duże pędy poprzeczne w zderzeniach relatywistycznych jonów. Konferencja QM 05 – część II Bożena Boimska IPJ Seminarium Fizyki Wysokich Energii, UW 9 XII 2005

Plan • Wstęp • Modyfikacje widm p. T w zderzeniach A+A • Czy obserwujemy gaszenie jetów? -> oddziaływania p(d)+A -> korelacje azymutalne • Podsumowanie • Przyszłość HI 2

Wyniki z konferencji Quark Matter – Budapeszt, sierpień 2005. W cześci I było: * charakterystyki globalne (krotności, rozkłady pospieszności) * ‘flow’ * trochę o ‘hard probes’ (cząstki z kwarkami ciężkimi, cząstki z dużym p. T). W zderzeniach ciężkich jąder przy wysokich energiach tworzona gęsta, gorąca materia partonowa. 3

Duże p. T * * * Cząstki z dużym p. T: pochodzą z jetów są produkowane w oddziaływaniach twardych w początkowej fazie zderzenia (t~1/p. T~0. 1 fm/c) można policzyć przekrój czynny na ich produkcję metodami p. QCD. W zderzeniach A+A: parton, który oddziaływał twardo, porusza się w ośrodku, który jest (jeszcze) gęsty i gorący => cząstki z dużym p. T (powstałe z fragmentacji tego partonu) niosą informację o materii powstałej zaraz po zderzeniu. Schematic view of jet production hadrons leading particle q q leading particle 4

Dane: Głównie z eksperymentów (BRAHMS, PHOBOS, PHENIX, STAR) przy akceleratorze RHIC w Brookhaven. ‘Stare’ dane: Au+Au (√s. NN= 200, 130, 19 Ge. V) d+Au (200 Ge. V) p+p (200 Ge. V) Nowe dane: Run 4 Run 5 Au+Au 200 Ge. V Au+Au 62 Ge. V Cu+Cu 200 Ge. V Cu+Cu 62 Ge. V Cu+Cu 22 Ge. V „long run”, high statistics energy scan system size energy scan + nowoopracowane dane z NA 49 i NA 57 (SPS w CERN) dla Pb+Pb@√s. NN= 17 Ge. V. 5

Wyznaczanie centralności Participant Region Spectators b 2 R ~ 15 fm Spectators Mniejszy parametr zderzenia b Większy obszar zderzenia Więcej nukleonów uczestników Npart i zderzeń Ncoll 6

Wyznaczanie centralności (0 -5)% • Eksperymenty przy RHICu, centralność parametryzują przez liczbę zderzeń Ncoll i liczbę uczestników Npart (85 -100)% • Niestety nie da się zmierzyć parametru zderzenia b • Mierzy się rozkłady krotności cząstek naładowanych, i rozdziela na przedziały danego ułamka całkowitego przekroju nieelastycznego - • Z modelu Glaubera wylicza się Ncoll i Npart odpowiadające danemu przedziałowi 7

Nuclear modification factor - R RAA = Yield(AA) NCOLL(AA) Yield(NN) Scaled N+N reference również używane: RCP = Yield(centr. )/NCOLL(centr. ) Yield(periph. )/NCOLL(periph. ) * małe p. T - miękkie oddziaływania: skalowanie z liczbą partycypantów Npart => R<1 * duże p. T - twarde oddziaływania : skalowanie z liczbą zderzeń Ncoll => R=1 Coś ciekawego dzieje się gdy: R>1 - wzmocnienie R<1 - tłumienie 8

Widma p. T Au+Au@200 Ge. V B. Cole 0 Duży zakres mierzonych p. T – aż do 20 Ge. V/c 9

R - zależność od centralności Au+Au@200 Ge. V B. Cole Tłumienie - rośnie z centralnością p. T dla centralnych: efekt bardzo silny (RAA=0. 2!) dla p. T od 4 do 20 Ge. V/c ~ const. =>bardzo gęsty ośrodek(? ) 10

R - zależność od energii Au+Au@200 Ge. V & Au+Au@62 Ge. V centralność P. Staszel h± 200 Ge. V Brahms preliminary 62. 4 Ge. V 200 Ge. V pp reference from BRAHMS data – PRL 93, 242303 (2004) 62. 4 Ge. V pp reference is based on ISR collider data Po obniżeniu energii do 62 Ge. V: • dla ‘pół-centralnych’ – wzmocnienie • dla centralnych - tłumienie (ale mniejsze niż dla 200 Ge. V) 11

Au+Au vs. Cu+Cu V. Greene Pomiar dla dużych p. T dla centr. Cu+Cu@200 Ge. V - tłumienie Zależność od centralności: RAA(p. T > 7 Ge. V/c) Cu+Cu podobne do Au+Au przy danym Npart 12

R - zależność od rodzaju cząstki Au+Au@200 Ge. V D. Roehrich RCP Dla średnio-dużych p. T widoczne różnice pomiędzy cząstkami. Efekt masowy czy partonowy? => zbadać np. f Różnica mezon-barion => różny mechanizm produkcji (rekombinacja(? )) 13

R - zależność od rodzaju cząstki Fotony bezpośrednie (‘prompt photons’) B. Cole centralne Au+Au@200 Ge. V Duże p. T : 0 , h RAA < 1 ‘prompt’ g RAA = 1 (skalowanie z Ncoll) - zgodne z oczekiwaniami 14 bo g nie oddziałują silnie z ośrodkiem

Zależność od energii raz jeszcze. . . Nowe dane dla SPS: Pb+Pb@17 Ge. V M. van Leeuwen NA 57 talk by A. Dainese; nucl-ex/0507012 NA 49 talk by A. Lazslo NA 49 NA 57 Stare dane dla SPS - WA 98, Eur. Phys. J. C 23, 225 (2002) – niekonkluzywne Nowe dane NA 49 i NA 57: • R(barion) > R(mezon) - podobnie jak przy RHICu • dla barionów – wzmocnienie • dla mezonów – niewielkie tłumienie! (RHIC – silne tłumienie) 15

Co na to teoria? Efekt tłumienia produkcji cząstek z dużymi p. T przewidziany zanim uruchomiony RHIC: M. Gyulassy et al. Phys. Lett. B 243(1990)432, X. N. Wang et al. Phys. Rev. D 51(1995)3436 ‘jet quenching’ radiacyjne straty energii przez wysokoenergetyczne partony poruszające się w gęstym ośrodku partonowym Gluon bremsstrahlung High gluon density requires deconfined matter (“indirect” QGP signature !) 16

Eksperyment vs. Teoria M. van Leeuwen I. Tserruya NA 49 talk by A. Lazslo NA 57 talk by A. Dainese; nucl-ex/0507012 RHIC E loss (Wang) SPS Modele p. QCD+’energy loss’ : - dobrze opisują dane eksperymentalne dla dużych p. T - pozwalają uzyskać informację o wytworzonej materii np. o gęstości gluonów: d. Ng/dy~400 -600 dla SPS d. Ng/dy~1200 dla RHIC 17

Podsumowując. . . Duże p. T • Centralne Au+Au@200 Ge. V - R<1 tłumienie • Efekt słabszy (mniejsze tłumienie) gdy: - mniej centralne zderzenie - lżejsze jądra - niższa energia (początki tłumienia widoczne przy SPS) Średnio-duże p. T • Widoczna zależność od typu cząstki (mezon-barion) Efekt tłumienia tłumaczony przez modele teoretyczne poprzez tzw. ‘jet quenching’. Jak sprawdzić czy obserwowany efekt może być rzeczywiście wynikiem gaszenia jetów? Þ Badanie prostszych systemów: p(d)+A tworzenia gęstej, gorącej materii). Þ Badanie jetów (nie spodziewamy się 18

Porównanie d+Au & Au+Au C. Gagliardi STAR @200 Ge. V h± * centralne d+Au brak tłumienia, R>1 - wzmocnienie (rośnie z centralnością) * centralne Au+Au silne tłumienie Pokazywane już na QM’ 03 w Oakland Tłumienie produkcji cząstek z dużym p. T w Au+Au wynik wytworzonej w zderzeniu gęstej materii partonowej => 19 Mamy ‘jet quenching’

Badanie zderzeń d+Au@200 Ge. V R - zależność od rodzaju cząstki X. Cai Dla p. T > ~1 Ge. V/c : * R>1 - wzmocnienie (efekt Cronina) * R(barion) >R (mezon) - podobnie jak dla Au+Au Czy tu też rekombinacja? 20

R - zależność od rodzaju cząstki Oddziaływanie z materią: kwarki ciężkie vs. lekkie C. Gagliardi Heavy quarks d+Au non-photonic electrons Light quarks STAR h± Au+Au Heavy quarks: d+Au: R~1 - skalowanie z Ncoll Au+Au: R ~0. 2 - tłumienie; podobne jak dla kwarków lekkich 21

R - zależność od pospieszności Co dzieje się poza obszarem centralnym ? P. Staszel Au+Au@200 Ge. V Brak wyraźnej zależności od pospieszności dla obu badanych centralności. Czy oznacza to, że gęsta materia partonowa powstająca w centralnych zderzeniach 22 rozciąga się aż do y=3?

R - zależność od pospieszności Cząstki zidentyfikowane I. Tserruya centralne Au+Au@200 Ge. V Piony: y=0 , y=3. 1 Protony: y=0, y=3 brak zależności od pospieszności 23

R - zależność od pospieszności d+Au@200 Ge. V D. Roehrich BRAHMS: PRL 93, 242303 (2004) Inaczej niż dla Au+Au: • zależności od pospieszności (R maleje) • zależność od centralności (efekt silniejszy dla zderzeń centralnych) Efekty obserwowane w d+Au tłumaczone przez modele saturacyjne. 24

Saturacja gluonów I. Tserruya dla wysokich energii całkowite przekroje czynne rosną wolno z energią przy maleniu x gęstość gluonów gwałtownie rośnie Dla małych x gluony gęsto upakowane, stąd oddziaływania między nimi („gluon fusion”) i dlatego gęstości gluonów ograniczone („gluon saturation”) -Color Glass Condensate (CGC) D. Kharzeev et al. PLB 561 (2003) 93 x<10 -2 * Dla oddziaływań jądrowych efekt powinien być silniejszy (zależność od A), bo większe gęstości gluonów. * CGC poprawnie opisuje dane z HERY dla Dla RHIC √s=200 Ge. V y=3 p. T=1 Ge. V/c: x~10 -3 => efekty saturacji gluonów 25 mogłyby być widoczne

Jednak już przy SPS. . . D. Roehrich centralne p+Pb@17 Ge. V gdy x. F rośnie: R maleje B. B. Ph. D Saturacja gluonów? Raczej NIE 26

Wracając do jetów. . . STAR e+ + e- jet + jet p + p jet + jet Au + Au stuff + jet Dla zderzeń A+A: • zbyt duże krotności by stosować algorytmy jetowe • badanie jetów poprzez korelacje azymutalne 27

Korelacje azymutalne STAR: p+p jet event away-side d. N/d f near-side ‘Trigger jetu’ 0º f 180º Szukanie jetów (procedura statystyczna): • Szukamy cząstki z dużym p. T (powyżej pewnego progu) – ‘trigger jetu’ • Patrzymy na korelacje azymutalne pomiędzy triggerem a innymi cząstkami, tzn. na rozkład 1/Ntrig d. N/d( ) trzeba ‘odfiltrować’ korelacje z innych źródeł (np. flow) 28

Korelacje azymutalne - Wyniki Dla Au+Au niedobór dużych p. T dla rozkładów inkluzywnych (R<1) rezultat oddziaływań jetów z materią (‘jet quenching’) Efekt powinien być również widoczny dla korelacji azymutalnych 4< p. T(trig) < 6 Ge. V/c 2 <p. T(assoc)<p. T(trig)Ge. V/c • p+p i d+Au wyglądają podobnie Pedestal&flow subtracted J. Adams et al, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 072304 • dla centralnych Au+Au ginie jet ‘away’ 29

Korelacje azymutalne Jak można to wytłumaczyć: Ten widać bo powstaje blisko ‘brzegu’ near Pedestal&flow subtracted Leading hadrons J. Adams et al, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 072304 Ten jest tłumiony w gęstym ośrodku – ‘jet quenching’ away Medium 30

Korelacje azymutalne - nowe wyniki większe p. T(trig) Duża statystyka (Run 4) to można badać korelacje dla cząstek z większym p. T: Au+Au, 0 -5% J. Dunlop p. T(trig) p. T(assoc) > 2 Ge. V/c STAR Preliminary No background subtraction! ‘away-side peak’ niewidoczny ‘away-side peak’ 31 zaczyna być widoczny

Korelacje azymutalne - nowe wyniki większe p. T(trig) i p. T(assoc) 8 < p. T(trig) < 15 Ge. V/c p. T(assoc)>6 Ge. V/c J. Dunlop STAR Preliminary For the first time: clear jet-like peaks seen on near and away side in central Au+Au collisions => informacja o ośrodku (z modeli) 32

Korelacje azymutalne Zależność od centralności C. Gadliardi 8 < p. T(trig) < 15 Ge. V/c Brak zależności od centralności Im centralniejsze tym większe tłumienie 33

Podsumowanie * W centralnych zderzeniach A+A: - produkcja cząstek z dużym p. T tłumiona w porównaniu do przewidywanego skalowania z Ncoll - 0 bserwuje się znikanie ‘jetu-away’. * Dla zderzeń d+Au efekt nie występuje. * Dane zgodne z modelami p. QCD uwzględniającymi radiacyjne straty energii partonów poruszających się w gęstym ośrodku partonowym. * Efekt jest silniejszy dla większych energii i bardziej centralnych zderzeń (lub cięższych jąder). * W obszarze średnio-dużych p. T widoczna zależność od typu cząstki (efekt barion-mezon) -> w modelach należałoby chyba uwzględnić dodatkowo efekty nie-perturbacyjne (takie jak np. rekombinacja) 34

S. Aronson Przyszłość - RHIC Key measurements for the future: • Hard probes (high p. T, heavy quarks): created sensitive to how the medium is – jets – hidden charm & beauty – open charm & beauty • Electromagnetic probes (real & virtual gs): early properties information about the medium’s – Low-mass e+e− pairs – Thermal radiation Na r Planowane: zwiększenie świetlności (początkowo X 2 -3 , docelowo X 10) zwiększenie zakresu A dla wiązek (aż do uranu) rozbudowa detektorów az ie to tyl ko pla n y. (precyzyjne detektory wierzchołka, identyfikacja dla cząstek przy wyższych p. T, poszerzenie obszaru detekcji w kierunku „do przodu”, . . . ) 2012 – 2014 (? ) - rozpoczęcie budowy e. RHIC 35

Przyszłość - LHC Akcelerator LHC (Large Hadron Collider) w CERNie i jego 4. eksperymenty: ALICE (A Large Ion Collider Experiment) ATLAS (A Toroidal LHC Apparatu. S) CMS (Compact Muon Solenoid) LHC –B są w trakcie budowy. Uruchomienie planowane na rok 2007. Badane zderzenia: p+p przy √s. NN=14 Te. V Pb+Pb przy √s. NN= 5. 5 Te. V W późniejszych latach prawdopodobnie będą również badane: * zderzenia p+A * zderzenia lżejszych jąder (Sn, Kr, Ar, O) * niższe energie. 36

ALICE - eksperyment dedykowany badaniom HI ATLAS i CMS (badanie p+p) - mają też program HI 2007: p+p collisions @ 14 Te. V 2008: Pb+Pb collisions @ 5. 5 Te. V 37

LHC H. A. Gustafsson Running parameters: L sgeom (b) Collision system √s. NN (Te. V) (cm-2 s-1) Run time (s/year) pp 14. 0 1034 107 0. 07 Pb. Pb 5. 5 1027 106 7. 7 W porównaniu do RHICa, wytworzony w zderzeniu system: gorętszy większy gęściejszy o dłuższym czasie życia. (prawie 30 razy większa energia i cięższe jądra) 38

Obszar kinematyczny H. A. Gustafsson 108 RHIC y=3 LHC y=0 IC H x~10 -5 -10 -6 104 R x~10 -3 -10 -4 106 Q 2 (Ge. V 2) Przy LHC dostępny obszar bardzo małych x (saturacja gluonów – CGC): 102 y=5 100 10 -6 10 -4 x 10 -2 39 100

Procesy twarde H. A. Gustafsson LO p+p y=0 (h++h-)/2 p 0 √s = 5500 Ge. V 200 Ge. V 17 Ge. V LHC RHIC SPS * procesy twarde dominują * dużo cząstek z bardzo dużymi p. T * dużo ciężkich kwarków 40

Program fizyczny * Charakterystyki globalne (‘day-one measurments’): Nch, d. N/dh, d. ET/dh, flow (Gyulassy&Vitev) * Jety i ich tłumienie * Ciężkie kwarki * Quarkonia (J/ , ) * Fotony bezpośrednie (direct) Przewidywania teoretyczne 41

Porównanie eksperymentów - pokrycie w p. T H. A. Gustafsson 0 1 2 10 100 pt (Ge. V/c) Hard processes modified by the medium Bulk properties ALICE PID CMS & ATLAS ALICE (małe p. T, PID) CMS & ATLAS (bardzo duże p. T) 42

Backup slides 43

Azimuthal correlations C. Gadliardi How does the medium respond? 4. 0 < p. T(trig) < 6. 0 Ge. V/c High momentum correlation suppressed 2. 0<p. T(assoc)<p. T(trig) Ge. V/c 0. 15<p. T(assoc)<4. 0 Ge. V/c Low momentum correlation enhanced Recoil distribution soft and broad. 44

RCP i RAA - różnice D. Roehrich 0 -5% Au+Au p+p STAR Preliminary Uwaga: RCP RAA Mezony: RCP< 1, RAA<1 Bariony: RCP<1, R AA>1 45