Tkletes folyadk a RHIC gyorstnl Csand Mt Ph

Tökéletes folyadék a RHIC gyorsítónál • Csanád Máté (Ph. D hallgató, ELTE) • Témavezetők: • Csörgő Tamás (KFKI RMKI), Roy Lacey (Stony Brook) • és Kiss Ádám (ELTE) • • • MTA osztályülés: A fizika fejlődési irányai 2006. május 10.

A részecskék Standard Modellje Elektron elemi részecske Proton, neutron, hadronok nem azok kvarkok fe Három kölcsönhatás, közvetítő bozonok r köl bo mi csö zo on nh. no u ok c t g k charm top d s b down strange bottom photon ne nm nt Z ele er gy kt ős en roge m ág ne ses up kv ar ko k • • • gluon g muon neutrino tau neutrino Z boson e m t W electron muon tau W boson le pt on ok electron neutrino • Erős, gyenge, elektromágneses töltés • Erős töltés: szín QCD: kvantum-szín-dinamika Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 2

Mit, miért és hogyan? • Elméleti igény: QCD fázisszerkezete, az ősrobbanáshoz hasonló körülmények vizsgálata A 2004 -es fizikai Nobel-díj: QCD aszimptotikusan szabad nagy hőmérsékleten gáz plazma, kvarkok és gluonok? • Az elérhető legnagyobb hőmérséklet: nehézion ütközések! • • Kísérlet: nehézionok ütköztetése Kísérlet építése: óriási pénzügyi elkötelezettség (1 Mrd USD főleg USA és Japán, de az egész világ vezető országai) • BNL (USA): 2000 -től, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) • CERN (Európa): 2007 -től, Large Hadron Collider (LHC) Lásd Vesztergombi György: ALICE a Te. Vek országában • Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 3

A QCD fázisdiagramja • Új halmazállapot(ok? ) • Hadronok QCD plazma? Tc • Elméleti számítások: Tc=176± 3 Me. V (~2 terakelvin) (hep-ph/0511166) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 4

A Nagy Bumm • Korai univerzum: forró, táguló rendszer • Kvarkanyag, kvarkgluon plazma • Protonok, neutronok kifagyása Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 5

Nehézion-ütközések: Kis Bumm • Nukleon-olvasztás • Kvarkok bezárása ill. kiszabadítása • Hasonlat: jégből víz vagy gőz • Szárazjég? Vízjég? • Nagy energiájú ütközéssel mindez elérhető (? ) • Nehézionok ütközése: forró, táguló rendszer • Elég forró? Régi-új anyag? Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 6

Kutatási helyszínek: CERN • SPS: Pb+Pb @ Ecms = 17 Ge. V/nukleon (17 AGe. V) h+p, p+Pb, Pb+Pb ütközések 7+ kísérleti együttműködés: NA 44, NA 45, NA 49, NA 50, NA 52, NA 57, NA 60, WA 98 • KFKI-ELTE részvétel az NA 49 kísérletben • • • LHC • • 2007: főleg p+p fizika; ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM 2008: nehézionfizika program is indul; ALICE, CMS, . . . Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 7

Kutatási helyszínek: BNL • RHIC: Au+Au @ Ecms = 200 AGe. V • • Au+Au, Cu+Cu, pp+pp, d+Au ütközések 4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STAR • Magyar részvétel a PHENIX-ben: • • • KFKI: Csörgő T. , Hidas P. , Ster A. , Sziklai J. , Zimányi J. , ELTE: Kiss Á. , Csanád M. , Deák F. DE: Dávid G. , Tarján P. , Imrek J. , Vértesi R. , Veszprémi V. Elfogadott fejlesztési programok: Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 8

PHENIX • • Fotonok, elektronok, müonok, hadronok azonosítása A reakció összes szakaszának vizsgálata Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik Hadronok: kifagyáskori állapot Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 9

A PHENIX csoport Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 10

1. mérföldkő: új jelenség • Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján • Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerzővel: Ster András Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 11

2. mérföldkő: új anyagfajta • d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség • Nem az Au mag szerkezetmódosulása • Au+Au: új anyag • PHENIXMagyarország együttműködés: 10 magyar a PHENIX szerzői listán Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 12

Top Story 2005 Amerikai Fizikai Intézet: 2005 lefontosabb eseménye! PHENIX: 3 x AIP Top Physics Story RHIC első éveit összegző cikkek: Top Physics Story #1 2005 http: //arxiv. org/abs/nucl-ex/0410003, 153 hivatkozás (2006. május 10. ) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 13

A részecskesugarak elnyelődése • Nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése: jet-quenching sűrű, erősen kölcsönható (ragacsos) anyag • Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 14

Nukleáris modifikáció (PHENIX) • Ellentétes függés az ütközés frontálisságától d+Au: Cronin-effektus (részecskék újraszóródnak növekmény) • Au+Au: Új jelenség: elnyelődnek a nagyenergiás részecskék (jetek) • • Keletkező új anyag: részecskesugarak elnyelése (jet quenching) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 15

Szögeloszlások (STAR) • Nagyenergiás részecskesugarak szögkülönbség-eloszlása pedestal and flow subtracted • • • Kifutó irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik Befutó irány: Au+Au-ban elnyelődés, p+p és d+Au-ban nincs A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 16

Elliptikus folyás (v 2) • Ritka gáz esetében v 2 nulla • Hidrodinamikai viselkedés: v 2 > 0 M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. http: //ar. Xiv. org/abs/nucl-th/0512078 Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 17

Kísérleti tapasztalatok összegzése • Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag • Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék Sikertelen számítások viszkózus modellekkel • Siker elhanyagolható viszkozitás mellett • • Hasonlat Egyszerre kiszabaduló sok rab • Kis térrész, „tolongás”, gyakori kölcsönhatások, termalizáció, folyadék-viselkedés! • • A tökéletes meglepetés: a felfedezett új anyag tökéletes folyadék (nincs viszkozitása és hővezetése) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 18

Elméleti eredmények (hidro) • • • Térfogat 1/8 részében 2. 3 terakelvin (2 terakelvin felett olvadás) Kezdeti szakaszban 5 terakelvin Ezen a hőmérsékleten nem gáz, hanem folyadék! spectra v 2 spectra Csanád, Csörgő, Ster, nucl-th/0310040, nucl-th/0311102, nucl-th/0403074 Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 19

Hidrodinamikai kép jelentős sikere • Hanbury-Brown és Twiss: kvantumoptika a forrásméret mérésére HBT sugarak • Korai jóslat: nagy asszimetria • Buda-Lund hidro: skálaviselkedése, kis asszimetria • Hirtelen hadronizáció jóslata • Több mint 50 modell képtelen volt leírni (utólag!!) • Elsőrendű fázisátalakulás is kizárható Csörgő, Csernai (Phys. Lett. B 333: 494 -499, 1994) Csörgő, Lörstad (Phys. Rev. C 54: 1390 -1403, 1996) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 20

Univerzális skálázás I 1/I 0 • Buda-Lund hidro: skálafüggvény jóslata (2003) • PHENIX (2005), PHOBOS (2006) és STAR (2005) adatok egybeesnek • Tökéletes folyadékból kapott jóslat TELJESÜL! Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster (Nucl. Phys. A 742: 80 -94, 2004) Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster et al. nucl-th/0512078 Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 21

A skálázás sérülése • Hidrodinamikai skálázás sérül kvark szám skálázás kezdődik • Kvarkok folyadéka! (részletes analízis még hátravan) • R. Lacey, nucl-ex/0510029 és M. Oldenburg, nucl-ex/0510026 Kvarkanyag 2005 világkonferencia Budapesten Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 22

Újabb várható mérföldkövek • Az új anyag mélyebb ismerete komoly kísérleti kihívás, de belátható közelségben: • • Mik hordozzák a szabadsági fokokat? Tömeges kvarkok és gluonok? Királis szimmetria? Állapotegyenlet? Fázisátmenet rendje? Folytonos átmenet (crossover)? • Új adatokra, a megértés mélyebb és szélesebb szintjére van szükség (Run-5, Run-6, …) • Érdekességek, továbbfejlesztések: Honnan ered a proton spinje? Spin fizika a RHIC–nél • Magasabb luminozitás: RHIC II • A QCD újabb fázisainak vizsgálata: e. RHIC (e+p) • • CGC: Színes (gluon)üveg kondenzátum Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 23

Konklúzió • Tökéletes folyadék halmazállapot létrehozása a RHIC Au+Au ütközésekben • PHENIX mostantól igazán produktív • PHENIX (RHIC) még min. 10 évig meghatározó • 2008 -tól LHC Pb+Pb, 2009 -től eredmények • A felfedezések korának kapuja kitárult a magyar diákok és kutatók számára is! Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 24

PHENIX összefoglaló, Kvarkanyag ‘ 05 Visszautasíthatatlan ajánlat!! Az új anyag sűrű Kísérlet és elmélet vállvetve megmérheti is kiszámolhatja az új anyag tulajdonságait Az új anyag megolvasztja és újragenerálja a J/y részecskéket Az új anyag módosítja a jeteket Az anyag erősen csatolt Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 Az új anyag forró 25

Köszönöm a figyelmet Köszönetnyilvánítás: MTA OTKA Amerikai - Magyar Fulbright Alapítvány NATO CLG program Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 26

Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 27

Kísérletek • Gyorsító adatok: körív: 3. 8 km cms energia: 19 -500 AGe. V sebesség: 99. 995% c felhasznál: protonok, deutérium, réz és arany atommagok nyalábok: 2 szembemenő nyaláb, mindegyikben ~120 „csomag” luminozitás: 2 x 1026 cm-2 s-1 (Au+Au, 106 ns átfedésekkel) előállít: több ezer új részecskét ütközésenként hőmérséklet: trillió K alapanyag: 20 év alatt 1 gramm arany üzemel: 2000 -től LHC (CERN) 2007 -től körív: energia: 27 km (LEP átalakítva) 14 ATe. V (korábban: fix target, SPS: Ecms ~ 17 AGe. V Pb+Pb) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 28

Sajtóanyagok http: //arxiv. org/abs/nucl-ex/0410003 128 hivatkozás (2006. február 21) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 29

Sajtóanyagok Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 30

Kísérleti módszer elnyelés közegben Új anyag? Mi lehetne referencia? Kapcsoljuk ki a közeget d+Au ütközések A „kifutó” részecskesugár nem nyelődik el A „befutó” sugár elnyelődik Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 31

How analytic hydro works Hydro equations + Eo. S PLB 505: 64 -70, 2001 hep-ph/0012127 Self-similar solution: Phase-space distribution Boltzmann-equation PRC 67: 034904, 2003 hep-ph/0108067 Source S(x, p) PRC 54: 1390 -1403, 1996 hep-ph/9509213 Observables Scheme works also backwords* *For a certain time-interval N 1(p), C 2(p 1, p 2), v 2(p) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 32

Sensitivity to the Eo. S cs 2 = 2/3 cs 2 = 1/3 • Different initial conditions, different equation of state but exactly the same hadronic final state possible. (!!) • This is an exact, analytic result in hydro( !!) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 33

Buda-Lund hydro • 3 D expansion, symmetry • Local thermal equilibrium • Analytic expressions for the observables (no numerical simulations, but formulas) • Reproduces known exact hydro solutions (nonrelativistic, Hubble, Bjorken limit) • Core-halo picture Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 34

A useful analogy • • Fireball at RHIC Fireball Sun Core Sun Halo Solar wind T 0, RHIC T 0, SUN 16 million K Tsurface, RHIC Tsurface, SUN 6000 K RG Geometrical size t 0 Radiation lifetime < b t> Radial flow of surface (~0) Dh Longitudinal expansion (~0) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 35

Buda-Lund fit results • T 0>Tc by 2 -5 s, indication for deconfinement in Au+Au and p+p, based on lattice QCD (Tc 162 Me. V) • Finite Rs at the freeze-out not phase transition, crossover • No radial flow in p+p Hubble, spectra slope T 0 1 D • 3 D Hubble flow in Au+Au (1/ 0 ut’/Rs) • CERN SPS also fitted, but T 0<Tc there! M. Cs. , T. Csörgő, A. Ster, B. Lörstad: Quark Matter 2004, J. Phys. G 30: S 1079 -S 1082, 2004; nucl-th/0403074 T. Csörgő, M. Cs. , B. Lörstad, A. Ster: WWND’ 04 , Submitted to Heavy Ion Physics; hep-ph/0406042 Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 36

Big Bang vs. Little Bang • Developed Hubble-flow at RHIC and in the Universe • Universality of the Hubble expansion: un= H rn • Hubble constant of the Universe: H 0= (71 ± 7) km/sec/Mpc • converted to SI units: H 0= (2. 3 ± 0. 2)× 10 -18 sec-1 • • Hubble constant in Au+Au collisions at 200 Ge. V HRHIC, long = <ut’>/Rs (3. 8 ± 0. 4)× 1022 sec-1 • HRHIC, trans = 1/ 0 (5. 1 ± 0. 1)× 1022 sec-1 • • Ratio of expansion rates: • HRHIC / H 0 2× 1040 • Really equals approx. the ratio of the ages! • 15× 109 yrs vs. 7 fm/c Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 37

Ellipsoidal generalization • Axially symmetric case: RG, ut • Main axes of expanding ellipsoid: • 3 D expansion, 3 expansion rates: • Introducing momentum-space eccentricity: • • • Hubble type of expansion: Aprroximation: Additionally: M. Cs. , T. Csörgő, B. Lörstad: Nucl. Phys. A 742: 80 -94, 2004 ; nucl-th/0310040 Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 38

‘Friedmann-equation’ of heavy ion physics • From the hydro solution of the expanding ellipsoid: • This relates to the following Hamiltonian: • Direction-dependent Hubble-flow: Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 39

The elliptic flow • One-particle spectrum: • The m-th Fourier component is the m-th flow • Depends on pseudorapidity and transverse momentum • Pseudorapidity dependence mostly not understood (except see Hama/SPHERIO) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 40

Universal scaling • Scale parameter w The perfect fluid extends from very small to very large rapidities at RHIC Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 41

Thanks for your attention Spare slides coming … Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 42

Nonrelativistic hydrodynamics • Equations of nonrelativistic hydro: • Not closed, Eo. S needed: • We use the following scaling variable: Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 43

A nonrelativistic solution • A general group of scale-invariant solutions (hepph/0111139): • This is a solution, if the scales fulfill: Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 44

Some numeric results from hydro • Propagate the hydro solution in time numerically: Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 45

Time dependence • Blastwave or Cracow model type of cooling vs Buda. Lund cooling, cs 2= 2/3, half freeze-out time see: http: //csanad. web. elte. hu/phys/3 danim/ Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 46

A relativistic solution • Relativistic hydro: with • A general group of solutions (nucl-th/0306004): • Overcomes two shortcomings of Bjorken’s solution: Rapidity distribution • Transverse flow • • Hubble flow lack of acceleration Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 47

Társadalmi visszhang • Big Bang machine gets down to work MSNBC News, 2000. jún. 14. , http: //www. msnbc. com/news/314049. asp? cp 1=1 • The Matter of the Big Bang Times of India, 2000. jún. 25 http: //timesofindiatimes. com/cms. dll/html/uncomp/articleshow? msid=31830 • 'Little' Big Bang stumps scientist CNN, 2002. nov. 20. http: //www. cnn. com/2002/TECH/space/11/13/little. bang/ • In a Lab on Long Island, a Visit to the Big Bang New York Times, 2003. jan. 14. • Scientists Report Hottest, Densest Matter Ever Observed New York Times, 2003. jún. 19. http: //www. nytimes. com/2003/06/19/science/19 PLAS. html • RHIC unveils new results Physics. Web, 2003. jún. 19. http: //physicsweb. org/article/news/7/6/14 Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 48

Magyar részvétel • Megalakult a PHENIX-Magyarország, 10 magyar a PHENIX cikkeken • Debrecen: 1996 óta, • • Dávid Gábor: ős-PHENIXes Tarján Péter, Vértesi Róbert, Imrek József: sok fiatal diák KFKI RMKI: 1998 óta Columbia University - KFKI RMKI együttműködés, (Gyulassy M. , B. Cole, W. A. Zajc) Csörgő Tamás: elméleti fizika felől nyitás a kísérletek felé Ster András: a kísérlet indulása óta részt vesz a mérésekben Speciális feladatok: frontalitás meghatározás (ZDC), korrelációk vizsgálata (HBT), végállapot rekonstrukció Veres Gábor: PHOBOS és MIT • Azonosított részecskék analízise, trigger rendszer • ELTE: szabad a pálya a magyar diákoknak! Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 49

A brookhaveni komplexum Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 50

A 4 RHIC kisérlet PHENIX: 13 ország, 62 intézet, 550 fő STAR: 12 ország, 51 intézet, 538 fő PHOBOS: 3 ország, 8 intézet, 116 fő BRAHMS: 8 ország, 14 intézet, 51 fő Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 51

PHOBOS • Sok ütközés vizsgálata • Ritka, szokatlan ütközések keresése: új fizika azonosítása • Fázisátmenet: fluktuációk növekedése • Veres Gábor (MIT) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 52

STAR • Sok részecske nyomon követése • Kvark-gluon plazma szignatúráját keresi • Hadronok közötti kölcsönhatás vizsgálata • Molnár Levente (Purdue University) Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 53

BRAHMS • Broad RAnge Hadron Magnetic Spectrometer • Töltött hadronok vizsgálata • Két keskeny szögtartomány • Precíz energiamérés Csanád Máté, MTA Közgyűlés 2006 54