Tkletes folyadk a RHICnl Csand Mt ELTE TTK

Tökéletes folyadék a RHIC-nél Csanád Máté ELTE TTK Atomfizikai Tanszék Témavezető: Kiss Ádám Szakmai vezető: Csörgő Tamás Ph. D védés • • • Kontextus A RHIC Tézispontok Eredmények Összefoglalás

A Nagy Bumm • Az anyag felépítése: ─ Molekulák, atomok → Elektronok, protonok, neutronok → Kvarkok, gluonok • Korai univerzum: forró, táguló rendszer • Kvark-gluon anyag • Hűlés → kifagyás • Ma: ‘fagyott anyag’ • Fagyott világ hasonlata 2

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? 3

Relativistic Heavy Ion Collider • RHIC: Relativisztikus nehézion ütköztető ─Két koncentrikus gyűrű, metszéspontokon ütközések ─Nyaláb: p, d, Cu, Au; Tömegközépponti energia: 20 -500 Ge. V/nukleon ─4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS (Veres Gábor), STAR • Magyar intézményi részvétel a PHENIX-ben: ─KFKI: Csörgő T. , Hidas P. , Nagy M. , Ster A. , Sziklai J. , Vértesi R. , Zimányi J. ─ELTE: Kiss Á. , Csanád M. , Deák F. ─DE: Tarján P. , Imrek J. , Veszprémi V. ─BNL: Dávid Gábor Elindított fejlesztési programok: 4

A RHIC működéséről 5

PHENIX • • Fotonok, elektronok, müonok, hadronok azonosítása A reakció összes szakaszának vizsgálata Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik Hadronok: kifagyáskori állapot 6

A PHENIX együttműködés 7

A részecskesugarak elnyelődése • Ellentétes irányú részecskesugár-keletkezés • Kifelé menő nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése: sűrű, erősen kölcsönható anyag! elnyelés közegben • Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő 8

Az elliptikus folyás • Elliptikus folyás (v 2): kollektív mozgás • Ritka gáz esetében v 2 nulla • Hidrodinamikai viselkedés: v 2 > 0 M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. nucl-th/0512078 9

Tökéletes folyadék? • Tökéletes ≠ ideális! Tökéletes: elhanyagolható viszkozitás és hővezetés ─ Ideális: összenyomhatatlan ─ • Viszkozitás h: nyíróellenállás mértéke ─ • • • Becslés: Alacsony viszkozitás Nagy hatásk. m. Erős csatolás Lényeges mérőszám: kinematikai viszkozitás Ad. S/CFT megfeleltetés: ─ hep-th/9711200, gr-qc/0602037, hep-th/0405231 • Viszkozitás-mérés: ─ nucl-ex/0609025, arxiv: 0704. 3553, nucl-th/0606061, nucl-ex/0611018 10

Kvarkok folyadéka PHENIX Collaboration, Phys. Rev. Letters 98: 162301, 2007 • Az elliptikus folyás hidrodinamikai változóban a kvarkszámmal skáláz! • Szabadsági fokok: kvarkok 11

Tézisek 1. A PHENIX ZDC/SMD 2. Ultra-periferiális ütközések vizsgálata 3. Parciális koherencia keresése korrelációkkal 4. Kétrészecske korrelációk erősségének analízise 5. A forrás Lévy-stabilitásának vizsgálata 6. Buda-Lund modell ellipszoidálisan szimmetrikus tűzgömbökre 7. A HBT sugarak rapiditásfüggésének skálázása 8. Az elliptikus folyás univerzális skálázása a RHICnél 12

1. A Zero Degree Calorimeter • Lepárolgó neutronok detektálása • A ZDC szerepe: centralitás, diagnosztika SMD: Zápor Maximum Detektor: SMD • Négyzethálós szerkezet • Elhelyezkedés: a ZDC-ben • Feladat: megfigyelő (‘monitoring’) szoftver írása Online Monitoring System for the PHENIX ZDC and SMD PHENIX internal technical note 419 http: //www. phenix. bnl. gov/phenix/WWW/publish/csanad/zdc/note/ 13

2. Mérések a ZDC segítségével • J/Ψ detektálás ultra-periferiális ütközésekben NJ/Ψ= 10 3 (stat) 3 (syst) • Hatáskeresztmetszet összehasonlítva az elmélettel Coherent photoproduction of J/Ψ and high-mass e± pairs in ultra-peripheral Au + Au collisions at √s. NN= 200 Ge. V David d’Enterria for the PHENIX Collaboration nucl-ex/0601001 14

3. Parciális koherencia keresése • • • A tűzgömb hidrodinamikailag leírható része: fc A tűzgömb koherens része: pc Két- és háromrészecske Bose-Einstein korrelációk mérésével meghatározható ─ T. Csörgő, Heavy Ion Phys. 15, 1 (2002), hep-ph/0001233 • Eredmény: parciális koherencia megengedett, fc> 45%, pc<85% Measurement and analysis of two- and three-particle correlations M. Csanád et al. [PHENIX Collaboration], Nucl. Phys. A 774, 611 (2006) PHENIX PRELIMINARY 15

4. Királis szimmetria helyreállása • Jóslat: Az h’ tömege sűrű és forró anyagban lecsökken az UA(1) szimmetria helyreállása miatt • Ötlet: l(mt) mérése alacsony impulzusnál Forró és sűrű anyag: h’ tömeg módosul Növekvő h’ keletkezés Bomlás: h’ h+p+ +p- (p 0+p++p−)+p++p− Hosszú élletartammal A p-k átlagos pt-je: 138 Me. V Több nem-kölcsönható p 138 Me. V-nél l(mt) a kölcsönható p-k arányát méri Lyuk a l(mt) függvényben M. Csanád for the PHENIX Collaboration, nucl-ex/0509042 PHENIX PRELIMINARY Measurement and analysis of two- and three-particle correlations M. Csanád et al. [PHENIX Collaboration], Nucl. Phys. A 774, 611 (2006) 16

5. A forrás Lévy-stabilitása • • • Másodrendű fázisátalakulások: kritikus exponens A rendparaméter térbeli eloszlása esetén: h Lévy eloszlás: anomális diffúzió! M. Csanád, T. Csörgő and M. Nagy, Braz. J. Phys. 37: 1002 -1013, 2007. • Megegyezik a kétrészecske korrelációs függvények Lévystabilitási indexével (a–val) ─ Azaz h=a, Csörgő et. al. , nucl-th/0512060 • A QCD univerzalitási osztálya = 3 d Ising modeleké ─ Itt h = 0. 03± 0. 01, de realisztikusabb random field Ising modelekben: h = 0. 50± 0. 05 (Wilczek és Rajagopal, hep-ph/9210253) • PHENIX Au+Au adatok: a=1. 4± 0. 1 • Másodrendű fázisátalakulás kizárva (preliminarily) nucl-ex/0509042 17

6. A Buda-Lund modell • Skálajóslatok teljesülése: termalizáció, hidrodinamikai viselkedés, Hubble-tágulás • Sikeres analitikus hidro modellek • Kiterjesztés ellipszoidális szimmetriára • Kifagyás ↔ részecskekeltés ↔ Boltzmann-egyenlet • Megfigyelhető mennyiségek számolása: Egyrészecske-spektrumok: N 1(p) ─ Elliptikus folyás: v 2(η, pt) ─ HBT sugarak: R(η, pt, φ) ─ Buda-Lund hydro model for ellipsoidally symmetricfireballs and the elliptic flow at RHIC M. Csanád, T. Csörgő and B. Lörstad, Nucl. Phys. A 742, 80 (2004) 18

7. A HBT sugarak skálázása • Hanbury Brown és Twiss (HBT): kétrészecske korrelációs sugarak ↔ forrás mérete • Hidrodinamikai modellből számolható • Kollektív, termális viselkedés → információvesztés, skálázás • Hubble törvény vagy akár Newton: • HBT sugarak: skálaváltozó megjelenése Universal scaling of the rapidity dependent elliptic flow and the perfect fluid at RHIC M. Csanád, T. Csörgő and B. Lörstad and A. Ster, Nucl. Phys. A 774, 535 (2006) 19

8. Az elliptikus folyás skálázása • Buda-Lund hidrodinamika: skálajóslat (2003) • PHENIX (2005), PHOBOS (2006) és STAR (2005) adatok igazolják ezt Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster, Nucl. Phys. A 742: 80 -94, 2004 Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster et al. nucl-th/0512078 20

Kísérleti tapasztalatok összegzése • Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag • Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék ─ Sikeres számítások tökéletes folyadékkal • Hasonlat (Bill Zajc, Scientific American): ─ Egyszerre kiszabaduló sok rab ─ Kis térrész, „tolongás”, gyakori kölcsönhatások, termalizáció, folyadék-viselkedés! • Kvarkok tökéletes folyadéka ─ Elhanyagolható viszkozitás és hővezetés ─ Szabadsági fokok: kvarkok 21

PHENIX publikációk • Hozzájárulás: adafelvétel, ZDC működtetése 1. Absence of suppression in particle production at large transverse momentum in 200 Ge. V d + Au collisions. {PRL 91: 072303, 2003} (270) 2. Double helicity asymmetry in inclusive mid-rapidity π0 production for polarized p + p collisions at 200 Ge. V {PRL 93: 202002, 2004} (41) 3. Jet structure of baryon excess in Au + Au collisions at 200 Ge. V. {PRC 71: 051902, 2005} (54) 4. Formation of dense partonic matter in relativistic nucleus-nucleus collisions at RHIC. {NPA 757: 184 -283, 2005} (385) 5. Saturation of azimuthal anisotropy in Au + Au collisions at 62 Ge. V to 200 Ge. V. {PRL 94: 232302, 2005} (30) 6. Nuclear modification factors for hadrons at forward and backward rapidities in deuteron-gold collisions at 200 Ge. V. {PRL 94: 082302, 2005} (31) 7. J/Ψ production and nuclear effects for d+Au and p+p collisions at 200 Ge. V. {PRL 96: 012304, 2006} (62) 8. Jet structure from dihadron correlations in d+Au collisions at 200 Ge. V. {PRC 73: 054903, 2006} (18) 9. Improved measurement of double helicity asymmetry in inclusive midrapidity π0 production for polarized p+p … {PRD 73: 091102, 2006} (10) 10. Nuclear effects on hadron production in d = Au and p + p collisions at 200 Ge. V. {PRC 74: 024904, 2006} (20) 11. Jet properties from dihadron correlations in p+p collisions at 200 Ge. V. {PRD 74: 072002, 2006} (26) 12. Measurement of direct photon production in p + p collisions at 200 Ge. V. {PRL 98: 012002, 2007} (14) 13. Elliptic flow for phi mesons and (anti)deuterons in Au + Au collisions at 200 Ge. V. {PRL 99: 052301, 2007} (6) 14. Production of omega mesons at Large Transverse Momenta in p + p and d + Au Collisions at 200 Ge. V. {PRC 75: 051902, 2007} (2) 15. J/Ψ Production vs Centrality, Transverse Momentum, and Rapidity in Au+Au Collisions at 200 Ge. V. {PRL 98: 232301, 2007} (32) 16. System Size and Energy Dependence of Jet-Induced Hadron Pair Correlation Shapes in Cu+Cu and Au+Au … {PRL 98: 232302, 2007} (14) 17. Energy Loss and Flow of Heavy Quarks in Au+Au Collisions at 200 Ge. V. {PRL 98: 172301, 2007} (39) 18. Correlated Production of p and anti-p in Au+Au Collisions at 200 Ge. V. {Phys. Lett. B 649: 359 -369, 2007} (5) 19. J/Ψ production versus transverse momentum and rapidity in p+p collisions at 200 Ge. V. {PRL 98: 232002, 2007} (8) 20. Centrality dependence of pi 0 and eta production at large transverse momentum in 200 Ge. V d+Au collisions. {PRL 98: 172302, 2007} (10) 21. Measurement of high-p(T) single electrons from heavy-flavor decays in p+p collisions at 200 Ge. V. {PRL 97: 252002, 2006} (26) 22. Azimuthal angle correlations for rapidity separated hadron pairs in d + Au Collisions at 200 Ge. V. {PRL 96: 222301, 2006} (11) • Részvétel az analízisben és a cikk megírásában, PPG, IRC tagság 1. Evidence for a long-range component in the pion emission source in Au + Au collisions at 200 Ge. V. {PRL 98: 132301, 2007} (7) 2. Scaling properties of azimuthal anisotropy in Au+Au and Cu+Cu collisions at 200 Ge. V {PRL 98: 162301, 2007} (33) 3. Coherent photoproduction of J/Ψ and high-mass e+ e- pairs in ultra-peripheral Au+Au collisions at 200 Ge. V {nucl-ex/0601001} (11) (+2 folyamatban) • Saját PHENIX-es cikk 1. Measurement and analysis of two- and three-particle correlations. {NPA 774: 611 -614, 2006} (4) 2. Systematics of identified hadron spectra at PHENIX. {nucl-ex/0505001} (3) 22

Elméleti publikációk • Buda-Lund hidrodinamikai modell Buda-Lund hydro model for ellipsoidally symmetric fireballs and the elliptic flow at RHIC. {NPA 742: 80 -94, 2004} (30) 2. An indication for deconfinement in Au+Au collisions at RHIC. {APP B 35: 191, 2004} (12) 3. Buda-Lund hydro model and the elliptic flow at RHIC. {Nukl 49, S 45, 2004} (2) 4. A Hint at quark deconfinement in 200 Ge. V Au+Au data at RHIC. {Nukl 49, S 49, 2004} (8) 5. Indication of quark deconfinement and evidence for a Hubble flow in 130 Ge. V and 200 Ge. V … {JPG 30: S 2079, 2004} (20) 6. Universal scaling of the rapidity dependent elliptic flow and the perfect fluid at RHIC. {NPA 774: 535, 2006} (4) 7. Understanding the rapidity dependence of the elliptic flow and the HBT radii at RHIC. {AIP 828: 479, 2006} (5) 8. Universal scaling of the elliptic flow and the perfect hydro picture at RHIC. {nucl-th/0512078} (9) 9. Universal scaling of the elliptic flow at RHIC. {WWND 22, nucl-th/0605044} (5) 10. Analysis of identified particle yields and Bose-Einstein (HBT) correlations in p + p collisions … {APH: A 24, 139, 2005} (5) 1. • Gyorsuló, relativisztikus hidrodinamikai megoldás A New family of simple solutions of perfect fluid hydrodynamics. {nucl-th/0605070} (7) 2. Accelerating Solutions of Perfect Fluid Hydrodynamics for Initial Energy Density … {Braz. J. Phys. 37: 723, 2007}(2) 3. Detailed description of accelerating, simple solutions of relativistic perfect fluid hydrodynamics. {ar. Xiv: 0709. 3677} (1) 4. Similar final states from different initial states using new exact solutions of relativistic hydro… {ar. Xiv: 0710. 0327} (0) 1. • Egyéb Anomalous diffusion of pions at RHIC. {Braz. J. Phys. 37: 1002, 2007} (2) 2. From Quark Gluon Plasma to a Perfect Fluid of Quarks and Beyond. {Erice 07, nucl-th/0702045} (0) 3. Can the neutron-capture cross sections be measured with Coulomb dissociation? {EPJA 27: 1217, 2006} (0) 1. • Összesítés ─ PHENIX publikációk: 36 db, idézettség: 1189, ebből független: 995 (komolyabb részvétel 5 publikációban) ─ Elméleti publikációk: 17 db, idézettség: 114, ebből független: 77 23

Köszönetnyilvánítás Köszönöm az irányítást, támogatást, megértést és mindenfajta segítséget ─ Csörgő Tamás és Kiss Ádám témavezetőimnek ─ Horváth Ákos TDK témavezetőmnek ─ Az Atomfizikai Tanszéknek ─ Tanáraimnak ─ A PHENIX kísérlet és a PHENIX-Magyarország tagjainak ─ Szüleimnek és nagyszüleimnek ─ És mindenkinek … 24

Milyen anyagot látunk tehát? Gáz Folyadék NEM IGEN 25

Jövő, célok • A kvarkanyag természetének feltérképezése ─ Új adatok analízise ─ Új elméleti jóslatok tesztelése ─ Nagyobb luminozitás (RHIC II) • Felfedező utak a QCD fázisdiagramján ─ Nagyobb energiák vizsgálata ─ A kritikus pont keresése (alacsonyabb energiák) ─ Új ütköztető rendszerek vizsgálata (e-RHIC) • Kolumbusz éppen megérkezett az Új Világba 26

1. mérföldkő: új jelenség • Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján • Az első nagy tudományos elismerés, analízis vezetője: Dávid Gábor (KFKI és Ster András is fent a cikken) 27

2. mérföldkő: új anyagfajta • • d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség Nem az Au mag szerkezetmódosulása Au+Au: új anyag PHENIX-Magyarország: ELTE, DE, KFKI, 10 szerző 28

Top Story 2005 Az Amerikai Fizikai Intézet szerint 2005 legfontosabb eseménye a kvarkfolyadék felfedezése 29

Viszkozitás mérések • Alsó határ: ─ hep-th/9711200, gr-qc/0602037, hep-th/0405231 • Eredmények ─ R. Lacey et al. , nucl-ex/0609025 ─ H. -J. Drescher et al. , arx: 0704. 3553 ─ S. Gavin, M. Abdel-Aziz, nucl-th/0606061 ─ A. Adare et al. , nucl-ex/0611018

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) 31

A közeg hatása a jetekre • Mach kúpok? • A sugárzás gyorsabban megy, mint a hangsebesség • Gluon sugárzással ad le energiát • QCD “hangrobbanás” (? ) • Erősen csatolt, sűrű folyadékban számítunk erre 32

A rendparaméter térbeli eloszlása • Lévy exponens analízise R [fm] a l c 2/NDF C. L. 0 -20%, 0. 2 -0. 36 Ge. V 10. 6 ± 0. 59 1. 14 ± 0. 05 0. 565 ± 0. 034 49/45 32% 0 -20%, 0. 48 -0. 6 Ge. V 6. 81 ± 0. 16 1. 40 ± 0. 08 0. 356 ± 0. 026 56/42 7. 2% 50 -90%, 0. 2 -0. 4 Ge. V 5. 59 ± 0. 63 1. 10 ± 0. 01 0. 625 ± 0. 08 45/45 47% 33

Skálázási előrejelzések • Kollektív, termális viselkedés → Információvesztés, skálázás • Mit jelent ez? Hubble törvény vagy akár Newton ─ Cannot predict acceleration or height ─ • Transzverz spektrumok: • Elliptikus folyás: • Korrelációs sugarak: 34

Kaon HBT jóslat • Transzverz tömeg skálázás → ha mt-ben ábrázoljuk, ugyanaz a görbe minden részecskére K 35

Néhány további részlet • Mach-kúpok észlelése • d, Φ és D részecskék is „folynak” • Semleges pionok elnyomva, fotonok nem • Királis dinamika: ρ és η’ tömegmódosulás • Cross-over fázisátmenet helyett PHENIX együttműködés, különböző cikkek 36

Rövid áttekintés • Sokmódusú gyorsító 22 Ge. V (Au, Cu, p ) ─ 56 Ge. V (Au) ─ 62 Ge. V (Au, Cu, p ) ─ 130 Ge. V (Au) ─ 200 Ge. V (Au, Cu, d, p ) ─ 410 Ge. V (p ) ─ 500 Ge. V (p ) ─ • Tudomány >160 referált cikk, több mint 90 a Phys. Rev. Lettersben ─ Jelentős felfedezések ─ • A jövő: e-RHIC és RHIC II Azonosított kulcskérdések ─ A gyorsító és a kísérletek továbbfejlesztése biztosítva ─ 37

LHC ZDC neutronspektrum 38