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 Peter Braun-Munzinger Lecture 2:       hadron production and the             QCD phase boundary   Comments on the QCD phase transition   Hadron production and the chemical freeze-out curve hadron yields and the statistical model hadron yields and the phase boundary interpretation: 2-body collisions don't equilibrate the phase transition drives equilibration through multi-hadron collisions  Hagedorn states as possible intermediaries   Speculation about the phase boundary at large   Open charm and Charmonia   Outlook 

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Page 1: Lecture 2: hadron production and the QCD phase boundary · 2005. 8. 17. · Peter BraunMunzinger Lecture 2: hadron production and the QCD phase boundary Comments on the QCD phase

 Peter Braun­Munzinger

Lecture 2:               hadron production and the             QCD phase boundary

  Comments on the QCD phase transition   Hadron production and the chemical freeze­out curve

hadron yields and the statistical model hadron yields and the phase boundary interpretation:

2­body collisions don't equilibrate the phase transition drives equilibration through 

multi­hadron collisions  Hagedorn states as possible intermediaries

  Speculation about the phase boundary at large   Open charm and Charmonia   Outlook 

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 Peter Braun­Munzinger

Critical energy density and critical temperature

Tc = 173  ± 12 MeV

c = 700  ± 200 MeV/fm3

for the (2 + 1) flavor case:the phase transition  to the QGPand its parameters are quantitativepredictions of QCD.

The order of the transition is not yet definitively determined.

Lattice QCD calculations for B= 0Karsch et al, hep­lat/0305025

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 Peter Braun­Munzinger

The QCD phase boundary – recent results from lattice QCD

Z. Fodor, S. Katz, JHEP0404,(2004) 050;

S. Ejiri et al, hep­lat/0312006

New endpoint

Note: 3 q = BTri­critical point not (yet) welldetermined theoretically

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Hadron yields signal chemical equilibrium

 From AGS energy on, all hadron yields in central PbPb collisions reflect grand­canonical equilibration Strangeness suppression observed in 

elementary collisions is lifted

For a recent review see:

pbm, Stachel, Redlich, QGP3, R. Hwa, editor,Singapore 2004,nucl­th/0304013

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Thermal model description of hadron yields

Fit at eachenergyprovidesvalues forT and b

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 Peter Braun­Munzinger

Resonance gas partition function and QCD

the resonance gas partition function contains a sum over all hadronic states

comparison between baryonic pressure fromLQCD and from hadronresonance gasK. Redlich, hep­ph/0406250 andrefs. there

Excellent agreement below Tc! Resonance gas approximates QCD     

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 Peter Braun­Munzinger

Hadro­chemistry at RHIC   ­­ weakly decaying particles

All data in excellent agreement with thermal model predictions

chemical freeze­out at: T = 175 ± 8 MeV

fit uses vacuum masses

new results from SQM04 at Cape Town consolidatethis picture

pbm, d. magestro, j. stachel, k. redlich,Phys. Lett. B518 (2001) 41; see also Xu et al., Nucl. Phys. A698(2002) 306; Becattini, J. Phys. G28 (2002) 

1553; Broniowski et al., nucl­th/0212052. 

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 Peter Braun­Munzinger

Hadro­chemistry at SPS

Data at 40 GeV/u Pb+Pbcentral collisionsT = 148 MeV,

b= 400 MeV

analysis from pbm, Stachel, Redlich,nucl­th/0304013“Quark­gluon plasma 

3, p. 491 – 599”

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 Peter Braun­Munzinger

Establishing the chemical freeze­out curve

The first plot:  pbm, StachelPhys. Lett. B365 (1996)1Nucl. Phys. A606 (1996) 320

The full curve: pbm, Stachel, QM1997Nucl. Phys. A638 (1998)3c 

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 Peter Braun­Munzinger

Chemical freeze­out curve – the view as of 2002

P. Braun­Munzinger, J. Stachel,  J. Phys. G. 28 (2002) 1971 chem. freeze­out at constant total baryon density

J. Cleymans, K. Redlich,Phys. Rev. Lett. 81(1998)5284chem. freeze­out  at constant energy/particle

Note: for  < 300 MeV, LQCD phase boundary coincideswith freeze­out curve

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 Peter Braun­Munzinger

Open Issue:  the  NA49 „horn“ in K/

The structure near s = 8 GeV is not reproduced but note:natural „ smearing“ is  3 GeVnear s = 8 GeV

Strangeness undersaturated at 80 and160 A GeV, saturated at all other energies? 

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 Peter Braun­Munzinger

excitation functions and thermal model predictions

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 Peter Braun­Munzinger

Strangeness equilibration at RHIC energies

 Strangeness fully saturated

 Freeze­out points are very close to phase boundary

 Deal with multi­strange baryons

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Chemical Equilibration must take place in the Hadronic Phase

Hadron yields determined by Boltzmann factors with 'free' vacuum masses.Particle distribution in QGP phase has no 'memory' of vacuum hadron masses . Relative yields are not determined by the strange quark mass but by individual strange hadron masses (at fixed T and m). But: the number of strange quarks is  determined in the QGP phase! Equilibrium then implies redistribution of strange quarks.

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How is chemical equilibration achieved?Our Scenario

  Strangeness saturation takes place in the QGP phase.

 Phase transition is crossed from above.

 Near Tc new dynamics associated with collective excitations will take place and trigger the transition.

 Propagation and scattering of these collective excitations is expressed in the form of multi­hadron scattering. Near Tc multi­hadron processes will therefore be dominant. Chemical equilibrium is reached via these multi­hadron scattering events.

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 Peter Braun­Munzinger

Chemical freeze­out takes place at Tc!

 Two­body collisions are not sufficient to bring multi­strange baryons into equilibrium. The density of particles varies rapidly 

with T near the phase transition. Multi­particle collisions are strongly 

enhanced at high density and lead to chem. equilibrium very near to Tc.

pbm, J. Stachel, C. WetterichPhys. Lett. B596 (2004) 61nucl­th/0311005 Lattice QCD calcs.

By F. Karsch et al.

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 Peter Braun­Munzinger

Evaluation of multi­strange baryon yield

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 Peter Braun­Munzinger

Evaluation of multi­strange baryon yield

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 Peter Braun­Munzinger

Density dependence of characteristic time for strange baryon production

 Near phase transition particle density varies rapidly with T. For small b,  reactions such as 

KKKNbar bring multi­strange baryons close to equilibrium. Equilibration time T­60 ! All particles freeze out within a very 

narrow temperature window.

pbm, J. Stachel, C. WetterichPhys. Lett. B596 (2004) 61nucl­th/0311005

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 Peter Braun­Munzinger

Hagedorn states as intermediaries

Recent work by C. Greiner, H. Stoecker et al.hep­ph/0412 095, following up on our approach: 

multi­hadron collisions are channeled through heavy (~ 1­2 GeV) Hagedorn doorway statesdetailed balance is applied through­outdecay of the Hagedorn states leads to rapid production of (multi­strange) baryons nucleon production less problematic

As in our approach, multi­particle plasma correlations near Tc lead to complete strangeness saturation. Chemical freeze­out takes place at the phase boundary.

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 Peter Braun­Munzinger

What about pp and e+e­ collisions?

Thermal fits describe hadron yields with T ~ 160 MeV 

Hadronization may be pre­thermalization process

But: multi­strange baryons can only be reproduced by ad­hoc strangeness suppression factor implying incomplete equilibration

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 Peter Braun­Munzinger

pp  and e+e­ continued

Suppression factor of 2 implies Omega baryons are factor 8 off the equilibrium valueSuppression is not due to canonical thermodynamics (phi problem, K. Redlich)Multi­meson fusion not effective since no high density phase'Temperature' in pp and e+e­ reflects hadronization but not phase transition.The existence of a medium in AA collisions also leads to the result that T is not universal (at T = 160 MeV as in e+e­ and pp) but varies with :  T=140 MeV at  = 400 MeV, e.g.

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 Peter Braun­Munzinger

Analysis of pp collisions

Analysis by K. Redlich,see pbm, Stachel, Redlich,nucl­th/0304013

s factor needed to describe production

Observed strangenesssuppression is not described by equilibrium thermo­dynamics

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What about lower beam energies?

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 Peter Braun­Munzinger

The QCD phase diagram and chemical freeze­out

Data are nearly described bycurve of constant critical energydensity

Conjecture: chemical freeze­out pointsdelineate the QCD phase boundary also at larger  down to AGS energy 

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A remark on critical energy density

 Along the Fodor­Katz phase boundary, critical energy density increases with increasing At crit= 0.6 GeV/fm3

  At T = 160 MeV and  = 650 MeV,   crit    2.7  GeV/fm3       

    calc. within hadron resonance gas model, no          excluded volume correction 

  There are 1.46 baryons/fm3 and 0.44                       mesons/fm3 at this point

 Phase boundary at  = 650 MeV isvery likely at lower T

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 Peter Braun­Munzinger

Is heavy quark production also statistical?

 The '/ratio approaches thermal value

Boltzmann factor suppresses thermal production of charm quarks: mc/T>>1 

Thermal production is negligible, even at LHC energy

Charm quarks must be produced in hard collisions

newest NA50 data confirm this,see also: Kostyuk&Stoecker, hep­ph/0501077

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 Peter Braun­Munzinger

Redistribution of Charm at Phase Boundary

 suggested mechanism similar to production of multi­strange baryons, (pbm, stachel, wetterich, nucl­th/0311005)

typical  reaction: DDbar + ⇒ J/

note: DDbar *    J/ +   provides already about 

10% of J/ at RHIC energy, see, e.g., pbm, K. Redlich, Eur. J. Phys. C16 (2000) 579

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Thermal equilibrium for charm quarks?

for statistical hadronization to work, charm quarks must approach thermal equilibrium.recent insight: charm quarks loose energy in the hot medium both by gluon radiation and by scattering: no strong 'dead­cone' effectcharm quarks should exhibit anisotropic flow and energy loss 

both Phenix andStar show firstindications ofcharm quark flow

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Charmonia and open charm

  J/modification in the QGP                           Satz&Matsui 1985  Measure charmonia relative to open charm reference  Simultaneous measurement of J/ and open charm to come from 

RHIC and NA60@SPS At RHIC energy and above, N

cc >> 1  charmonia can be formed 

by recombination, NJ/

  Ncc

2

 Melting of J/in QGP – suppression at low beam energy, enhancement at high beam energy,                 pbm& J. Stachel,  Phys. Lett. B490 (2000) 196 At LHC energy, enhancement fingerprint of deconfinement

All charmed hadrons are also formed at the phase boundary!!

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 Peter Braun­Munzinger

Comparison to first RHIC Data

Note centralitydependence

Need much improved RHICdata, to come from Run 4

Calculations: recombination modelA. Andronic et al., Phys. Lett. B571 (2003) 36LHC data should exhibit large enhancement!

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charmonium data – newest results from QM2005

strong suppression not observed

models with regeneration assuggested inpbm, J. Stachel, Phys. Lett. B490 (2000) 196describe data

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 Peter Braun­Munzinger

Energy Dependence of J/� Production

Energy dependence of J/ production

At RHIC and LHC, ncc

 >> 1 recombination!!

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 Peter Braun­Munzinger

Conclusions and Outlook – Lecture 2

 Chemical equilibration of multi­strange hadrons is obtained through multi­hadron collisions near (during) the phase transition. Chemical freeze­out at RHIC and top SPS energy coincides with phase 

boundary from LQCD. Experimental determination of critical temperature: 

   Tc = Tchem +8 ­18 MeV Charm and charmonia produced through stat. hadronization:

   test for deconfinement – need data from RHIC and (especially) LHC Open questions:

 Where is phase boundary at lower energies? Is the full chemical freeze­out curve coincident with the phase         boundary?  Are multi­strange hadrons also equilibrated at SIS energy?What about LHC energies

Progress in determination of fundamental QCD parametersfrom nuclear collisions

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Extra slides

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2­body collisions are not enough

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Check numerics via detailed balance

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 Peter Braun­Munzinger

Variation of fireball temperature with time

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 Peter Braun­Munzinger

What about centrality dependence of chemical equilibration?

 Apparent chemical temperature depends little on centrality.  The importance of multiple collisions should 

decrease with decreasing particle density, i.e. lower centrality.  This is expressed in the data as change in s .

   Note: s = 0.8 reduces  yield by factor of 2. 

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 Peter Braun­Munzinger

Centrality dependence of s

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 Peter Braun­Munzinger

Centrality dependence of s

S. Wheaton et al, SQM04, Au+Au analysis, RHIC energyincreasing Npart  increasing particle density chemical equilibration is reached