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Quark-Gluon Plasma
20.07.07 Martin Ries
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Gliederung
● Was ist eigentlich QGP?
Experimentelle Evidenzen:● J/ψ Unterdrückung an NA50● Jetquenching an PHENIX
● Ausblick
● Zusammenfassung
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Quarks und Gluonen
Konsequenzen:
● Confinement
● Q² groß / kleiner Abstand: asymptotische Freiheit
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Freie Quarks?
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Quark-Gluon-Plasma
● 1980 von Shuryak vorgeschlagen
QCD:● Übergang bei Tc ≈ 173 MeV ≈ 1012 K
● Krit. Energiedichte: εC ≈ 0,7 GeV/fm³
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Kritische Temperatur
Stefan-Boltzmann: ε ~ T4Übergang zu Quark- u. Gluon-Freiheitsgraden
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Im Phasendiagramm:
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Warum ist das überhaupt interessant?
● Neuer Zustand von Materie
● Entstehung des Universums
● QCD sagt (messbaren) Phasenübergang voraus
=> Direkter Test für QCD!
● mu ≈ 3 MeV/c²md ≈ 6 MeV/c²
mP ≈ 938 MeV/c² ???
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Erzeugung im Labor
● BANG!!
● „Feuerball“: ca. 10 fm
● Expansion, Abkühlung
● T ≤ Tc: Hadronisierung
● T ≤ Tch< Tc: Chemisches Ausfrieren=> Hadronverteilung fest
● Dauer: ca. 10-23 s t
p + π -> Λ
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Erzeugung im Labor
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Erzeugung im Labor
Vor der Kollision
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Erzeugung im Labor
Feuerball entsteht
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Erzeugung im Labor
Expansion, Hadronisierung
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Stoßparameter:
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Rapidität y
=> y ist Maß für α
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Energiedichte
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Erste Messungen: CERN NA50
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Im Phasendiagramm:
NA50
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Anforderungen an ein „Messteilchen“
● Frühe Entstehung● Muss von QGP
beeinflusst werden● Stabilität● Eigenschaften bekannt
t
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J/ψ
● Entsteht in der Kollision
● Stabil
● Wird durch QGP unterdrückt (Abschirmung)!(Matsui & Satz, 1986)
● Zerfall: J/ψ → µ+µ−
● Masse: mJ/ψ = 3,1 GeV/c²
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Drell-Yan Prozess
● Entsteht gleichzeitig mit J/ψ● Keine starke WW● Masse: mDY ≤ 6 GeV/c² >> mJ/ψ
=> ideales Referenzsignal
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Strategie
● Messe Rate von DY und J/ψ gegen ETges
● Vergleiche die beiden Raten:
● Suche nach Sprüngen bei εC ≈ 0,7 GeV/fm³:
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Aber Achtung:
● Unterdrückung auch in hadronischer Materie:
„Normale Unterdrückung“
NA38 S-U Kollisionen
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NA50 Facts
● Experiment am CERN SPS
● 1994 – 1999
● Pb Fixed Target
● 158 GeV/nucleon Pb-Strahl
● ECM = 17 GeV/nucleon
● εMax ≈ 3,5 GeV/fm³
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NA50 Aufbau
Hodoskop: Trigger
Target
Elektromagnetisches Kalorimeter
Zero-Degree Kalorimeter
Myonkammern
MagnetAbsorber
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Messkurve
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Experimentelle Schwierigkeiten
Hauptproblem: zu wenig DY=> statistischer Fehler
Lösung: zweite AnalyseReferenz: Minimum Bias Events
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Minimum Bias Analyse
● Minimum Bias Event:
Kollision findet statt
● Messung: Zero Degree Kalorimeter
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Minimum Bias Analyse
● Rechne Minimum Bias Rate in DY Rate um:
● Nachteil: Systematische Fehler
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Zwei Analysen
● Standard Analyse: DY● + : kein systematischer Fehler● - : schlechte Statistik
● Minimum Bias Analyse● + : gute Statistik● - : systematische Fehler
=> Benutze beide zur Auswertung
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Auswertung
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NA50 Ergebnisse
● Deutlicher Abfall bei ε = 2,3 GeV/fm³:χc Meson wird unterdrückt
● Weiterer Abfall bei ε = 3 GeV/fm³:J/ψ wird unterdrückt
● QGP!
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RHIC PHENIX: Jetquenching
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Im Phasendiagramm:
RHIC
NA50
![Page 35: Quark-Gluon Plasmauwer/lectures/Seminar/KeyExp/2007/qgp.pdf · Quark-Gluon-Plasma 1980 von Shuryak vorgeschlagen QCD: Übergang bei T c ≈ 173 MeV ≈ 1012 K Krit. Energiedichte:](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040419/5e035036bb60da4b1d27d0aa/html5/thumbnails/35.jpg)
Jet-Entstehung
t
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Jetquenching
● pp-Kollision:
Jets frei
● Was passiert in Materie?
Unterdrückung?
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In hadronischer Materie
Energieverlust durch Stöße etc.
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In QGP
Gluon-Bremsstrahlung
=> Jets in QGP unterdrückt!
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dE/dx
● Hadronische Materie:
● QGP:
muss größer sein
● Hadronische Materie:
● QGP:
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Strategie
● Messe Jets mit hohem pT
– ε < εc: d-Au Kollision
– ε > εc: Au-Au Kollision
![Page 41: Quark-Gluon Plasmauwer/lectures/Seminar/KeyExp/2007/qgp.pdf · Quark-Gluon-Plasma 1980 von Shuryak vorgeschlagen QCD: Übergang bei T c ≈ 173 MeV ≈ 1012 K Krit. Energiedichte:](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022040419/5e035036bb60da4b1d27d0aa/html5/thumbnails/41.jpg)
PHENIX Facts
● Experiment am RHIC
● Läuft seit 2000
● Au-Au Kollision, ECM = 200GeV/nucleon
● εMax ≈ 5 GeV/fm³
● Ziel:genaue Vermessung von QGP
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Aufbau
Driftkammer
Time Expansion Chamber
Pad Chambers
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Jet-Erkennung
Jet??
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Hadronenrate bei hohem pT
Messung an
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Experimentelle Schwierigkeiten
● Wirklich Jetquenching gemessen?
● Auch möglich:– Hadronenstreuung– Was ganz anderes
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Lösung: Winkelverteilung der π0s
● Messe Winkel zwischen zwei π0s
– ε << εc: d-Au
– ε < εc : dezentrale Au-Au
– ε > εc : zentrale Au-Au
● Vergleiche die Winkelverteilung
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Lösung: Winkelverteilung der π0s
● Winkelverteilung gleich für zentrale Au-Au und andere Events
=> tatsächlich Jetquenching gemessen
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Ergebnis
● Jetquenching bei ε > εc
● Wahrscheinlichster Mechanismus: Gluon-Bremsstrahlung im QGP
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dE/dx
● Hadronische Materie:
● QGP:
Viel größer als erwartet!
=> Wirklich Plasma-artig?
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Elliptischer Fluss
Messungen an PHENIX, STAR:
● Druckgradient im Feuerball
● Anisotrope Ausbreitung
● Perfekt viskose Flüssigkeit?
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Ausblick
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Im Phasendiagramm:
RHIC
LHC
NA50
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Zusammenfassung
● Theorie: Bei hoher Energiedichte Phasenübergang: QGP
● Messung an SPS: J/ψ Unterdrückung● Messung an RHIC: Jetquenching
=> Bestätigung der Theorie
● Noch offen: wie sieht QGP genau aus?
=> RHIC, LHC
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Vielen Dank!