schwerionenphysik am relativistic heavy-ion collider rhic
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Fr ühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC. Markus D. Oldenburg. Aachen, 13. M ärz 2003. Übersicht. Kernmaterie unter extremen Bedingungen RHIC & seine Experimente Experimentelle Ergebnisse Teilchenspektren - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider
RHICMarkus D. Oldenburg
Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft
Aachen, 13. März 2003
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Übersicht
• Kernmaterie unter extremen Bedingungen
• RHIC & seine Experimente
• Experimentelle Ergebnisse – Teilchenspektren
– radialer und anisotroper Fluss
– Unterdückung von Teilchen mit hohem Transversalimpuls
– Jets bei RHIC-Energien
• Zusammenfassung & Ausblick
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Phasendiagramm von Kernmaterie (nach QCD)
• T << QCD: starke Kopplung Quark-Einschluss in Hadronen
• T >> QCD: schwache Kopplung Quark-Einschluss aufgehoben (Deconfinement/Quark Gluon Plasma) Phasenübergang bei T~ QCD?
hier für zwei massenlose Quarkflavors (Rajagopal und Wilczek, hep-ph/-0011333)
• Untersuchung von Kernmaterie unter extremen Bedingungen (hohe Temperaturen und/oder hoher Druck)
Baryon
T
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QCD-Gitterrechnungen• gleichzeitige Übergänge:
Deconfinement Wiederherstellung der chiralen Symmetrie
F. Karsch, hep-ph/0103314
kritische Energiedichte:4)26( CC T
TC ~ 175 MeVC ~ 1 GeV/fm3
Ideales Gas (Stefan-Boltzmann
Grenzfall)
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
qqq
qqq
qqq
q q
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Der Phasenübergang im Labor
elektro-magn. Signale (ll)
“harte” (high-pT) Physik
soft Physics(low-pT)
chemisches Ausfrieren (Tch Tc) : Ende der inelastischen Stöße
kinetisches Ausfrieren (Tkfo Tch): Ende der elastischen Stöße
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The Relativistic Heavy-Ion Collider
• 2 unabhängige Beschleunigungsringe• 3.83 km Umfang• beschleunigt alles von p bis Au
Au+Au-Strahlzeit 2001/2002• 55-56 bunches pro Ring
(getested bis zu 110)• 7.5108 Au/bunch @ Speicherenergie• Speicherenergie: 100 GeV/A• Kollisionsenergie: 200 GeV/Nukl.-paar• Max. Luminosität: 51026 cm-2 s-1
pp-Strahlzeit 2001/2002• 55 bunches pro Ring• 0.81011 p/bunch• Energie/Strahl: 100 GeV• Max. Luminosität: 1.51030 cm-2 s-1
• Strahlpolarisation ~ 25% ( AGS)
Long IslandLong Island
STAR
PHOBOS
PHENIX
BRAHMS
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STAR Magnetspule,
Tracking über großen Raumwinkelbereich,TPCs, Si-Vertex Tracker, RICH, EM Cal, TOF
~420 Mitarbeiter
Coils Magnet
Silicon Vertex Tracker
E-M Calorimeter
Time of Flight
Time Projection Chamber
Forward Time Projection Chamber
Electronics Platforms
• Hadronische Observablen in großem Raumwinkelbereich• Einzelereignis-Analyse von Hadronen und Jets
PHENIXAchsiales Magnetfeld,
Hohe Auflösung bei hoher Messrate,2 zentrale, 2 vorwärtsgerichtete Spektrometerarme
TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID~450 Mitarbeiter
• Leptonen, Photonen und Hadronen in ausgewählten Raumwinkeln• Gleichzeitige Messung von verschiedenen Phänomenen des Phasenübergangs
Die “großen” RHIC-Experimente
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Die “kleinen” RHIC-ExperimenteBRAHMS
2 “herkömmliche” Spektrometer
Magnete, Tracking Chambers, TOF, RICH
~40 Mitarbeiter
PHOBOS 2-armiges “Table-top” Spektrometer
Magnet, Si--Streifen, Si-Mult.-Ringe, TOF
~80 Mitarbeiter
Ring Counters
Paddle Trigger Counter
Spectrometer
TOF
Octagon+Vertex
• geladenen Hadronen in ausgewählten Raumwinkelbereichen• Multiplizität in 4• Teilchenkorrelationen
• inklusive Teilchenspektren über große Rapiditätsbereiche
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Geometrie einer Schwerionenkollision
Anzahl der Partizipanden (Npart): Anzahl der einlaufenden Nukleonen in der “Überlapp”-Region
Anzahl der binären Kollisionen (Nbin): Anzahl der inelastischen Nukleon-Nukleon Kollisionen
Stoßparameter bperiphere Kollision: b bmax
zentrale Kollision: b 0
Nbin Npart/2
peripher
zentral
b
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Peripheres Ereignis(Echtzeit Level-3 Display)
STARSTAR
Farbkodierung Energieverlust
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Zentrales Ereignis(Echtzeit Level-3 Display)
STARSTAR
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Multiplizität geladener Teilchend
Nc
h/d
19.6 GeV 130 GeV 200 GeVPHOBOS Preliminary
zentral
peripher
Zentrale Kollisionen bei 130 GeV:
4200 geladene Teilchen!
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“zentralste” Ereignisse
PHENIX
EMCAL
R2
Energiedichte
Bjorken ~ 4.6 GeV/fm3
~ 30fache Grundzustandsdichte von Kernmaterie ~ 1.5 bis 2 mal höher als am SPS (s = 17 GeV)~ 5 mal so groß wie critical von QCD-Gitterrechnungen
Bjorken-Formel für Energiedichte bei Thermalisierung (Modell !!!)
Zeit bis zur Thermalisierung (0 ~ 1 fm/c)~6.5 fm
Wie groß ist die erreichte Energiedichte? Vergleich mit der erwarteten
Energiedichte beim Phasenübergang
dy
dE
RT
Bj0
2
11
dydz 0
130 GeV
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Teilchenspektren bei 200 GeV/N
+, -, K+, K- Spektren in Zentralitätsabhängigkeit
(130 GeV/N Daten in nucl-ex/0206008)
p und p-bar Spektren in Zentralitätsabhängigkeit
(130 GeV/N Daten in PRL 87 (2002))
STAR Preliminary
+ K-
STAR Preliminary
STAR Preliminary
_p
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Antiteilchen zu Teilchen-Verhältnisse
Sehr gute Übereinstimmung der versch. RHIC-Experimente bei y = 0, s = 130 GeV
STAR-Ergebnisse für p-bar/p• p-bar/p = 0.11 ± 0.01 @ 20 GeV• p-bar/p = 0.71 ± 0.05 @ 130 GeV
• ursp. Veröffentlichung 0.60 ± 0.06
• p-bar/p = 0.80 ± 0.05 @ 200 GeV
p-bar/p ratios
K+/K- ratios
STAR
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______
STAR preliminary
p+p p/p ISR
_
Anti-Baryon zu Baryon Verhältnis vs. sNN
• im frühen Universum
– p-bar/p = 0.999999
• Paarproduktion nimmt mit s zu.
• Die Region mittlerer Rapidität ist
(selbst am RHIC) noch nicht
Baryonen-frei!
• Paarproduktion ist größer als
Baryonentransport.
• 80% der Protonen stammen von
Paarproduktion.
• 20% werden über 5 Rapiditäts-
einheiten transportiert (“stopping”).
4Tr
pair
Y
Y
8.0
Transpair
pair
p
pbar
YY
Y
Y
Y
Baryonen werden am RHIC stärker paarweise erzeugt als aus den Anfangskernen zu mittleren
Rapiditäten transportiert.
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Chemisches Ausfrieren (Thermisches Modell)Annahme: - Thermisch und chemisch equillibrierter Feuerball beim hadro-chemischen Ausfrieren. “Rezept”: - Groß-kanonisches Ensemble zur Beschreibung der Zustandsfunktion Teilchendichte für verschieden Teilchenarten i
- Randbedingungen: Volumen V, chem. Potential für Strangeness S, Isospin
input: gemessenen Teilchenverhältnisse output: Temperatur T und baryo-chemisches Potential b
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Wo befinden wir uns im Phasendiagramm?
• Die Analyse des Endzustands legt nahe, dass wir uns nahe der Phasengrenze befinden.
• Mit den Daten aus den Hadronproduktionen können keine höheren Temperaturen gemessen werden!
Baryo-chemisches Potential b [MeV]
Frühes Universum
“Chem
isch
e”
Tem
pera
tur
Tch
[M
eV
]
0
200
250
150
100
50
0 200 400 600 800 1000 1200
AGS
SIS
SPS
RHICQuark-Gluon Plasma
Hadrongas
DeconfinementChiral Restauration
Lattice QCD
Atomkerne
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Transversaler Fluss
Die transversale (radiale) Expansion der Quelle erhöht die kinetische Energie der Teilchen. Die klassische Schreibweise für die Gesamtenergie
legt daher einen linearen Ausdruck für die effektive Temperatur nahe:
-
K-
p
Au+Au bei 200 GeV
2KFOObs massTT
Die Steigungen nehmen mit zunehmender Teilchenmasse ab. <pT> und effektive Temperatur nehmen daher mit der Masse zu.
Tobs ≈ 215 MeV
Tobs ≈ 310 MeV
Tobs ≈ 575 MeV
STAR
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Kinetischer Freezeout mit transversalem Fluss
<ßr> (RHIC) = 0.55 ± 0.1 c
Tkfo (RHIC) = 100 ± 10 MeV
Explosive (transversale) Expansion
Hoher Druck hohe Rescattering-Rate Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts wahrscheinlich
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Anisotroper Fluss
px
py
y
x
• periphere Kollisionen
• “Überlapp” ist nicht (kugel)symmetrisch im Raum
• “Überlapp” hat Linsenform– Teilchen können einfacher in die x-z-Ebene
emittiert werden
– zur Seite gewandte Fläche ist größer als oben-unten
x
yz
nvn cosx
y
p
patan
• räumliche Anisotropie Anisotropie im Impulsraum
– Partonische Wechselwirkungen erzeugen Druck, der die ursprüngliche räumliche Anisotropie in die beobachtbare Impulsanisotropie transformiert.
• Fourierentwicklung der Impulsverteilung der Teilchen in der x-y-Ebene
• vn bezeichnet den Fourierkoeffizienten der Ordnung n
• die Fourierentwicklung wird relativ zur Reaktionsebene durchgeführt
• v1: “gerichteter Fluss”
• v2: “elliptischer Fluss”
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Zentralitätsabhängigkeit von v2 (130 GeV)
• v2 erreicht hohe Werte
– 6% in peripheren Kollisionen
– entsprechend weniger in zentraleren Kollisionen
• Hydro-Modellrechnungen stimmen gut mit den Messergebnissen überein
– Im Gegensatz zu Kollisionen bei niedrigeren Energien, wo Hydro den anisotropen Fluss überschätzt
• Anisotroper Fluss ensteht durch Rescattering
– Da anisotroper Fluss zu späteren Zeiten unterdrückt wird (self-quenching), weisen die Daten auf eine frühe und damit schnelle Thermalisierung des Quelle hin.
Anisotroper Fluss erreicht am RHIC sehr hohe Werte
PRL 86, (2001) 402 [STAR; stimmt mit PHENIX überein]
ansteigende Zentralität
Hydro-Vorhersagen
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v2 vs. pt und Teilchenmasse (130 GeV)
• Massenabhängigkeit wird von hydro- dynamischen Modellen reproduziert– Hydro setzt lokales
thermisches Gleichgewicht voraus
– kurz nach der Kollision
– anschließende hydrodynamische Expansion der Quelle
PRL 86, 402 (2001) & nucl-ex/0107003 (STAR)
Hydro stimmt sehr gut mit den Daten
überein
D. Teaney et al., QM2001 Proc.P. Huovinen et al., nucl-th/0104020
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v2 für high-pt Teilchen (130 GeV)
• pQCD, inelastischer Energieverlust + Hydro-Parametrisierung (M. Gyulassy, I. Vitev and X.N. Wang, PRL 86 (2001) 2537)
– Absolutwert von v2 bei hohem pt sensitiv auf die Gluonendichte
– Sättigung und anschließende Abnahme von v2 bei ansteigendem pt
• Messwerte weichen ab pt > 2 GeV/c vom hydrodynamischen Modell ab
Adler et al. (STAR), nucl-ex/0206006
Ergebnisse in qualitativer Übereinstimmung mit
“Jet-quenching”
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“Harte” Stöße in Schwerionenkollisionen
• neue Möglichkeiten am RHIC Hard Parton Scattering sNN = 200 GeV @ RHIC – 17 GeV @ CERN SPS
• Jets und Mini-Jets – 30-50 % der Teilchenproduktion– High-pt leading Particles– Azimutale Korrelationen
• störungstheoretischer Bereich wird zugänglich– Berechnungen korrekt?
• gestreute Partonen erleiden Energieverlust (dE/dx ~ x) bei ihrem Weg durch das Farbmedium
– WW von Partonen mit partonischer Materie– Unterdrückung von Teilchen mit hohem pt: “jet quenching” Unterdrückung von Winkelkorrelationen
Hadronen
q
q
Hadronenleadingparticle
leading particle
Schema der Jet-Produktion
QGP
Vakuum
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Hadronen mit großem pt
Preliminary sNN = 200 GeV
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Messung von Hadron-Unterdrückung
ddpdT
ddpNdpR
TNN
AA
TAA
TAA /
/)(
2
2
<Nbin>/inelp+p
N+N Wirkungs- querschnitt
1. Vergleich: Au+Au mit N+N Wirkungsquerschnitten2. Vergleich: zentrale mit peripheren Au+Au-Kollisionen
Nuclear Modification Factor:
Ohne zusätzliche Effekte: R < 1 im “Soft Regime” R = 1 bei hohem pT (dominiert durch harte Stöße) mögliche Unterdrückung: R < 1 bei hohem pT
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Unterdrückung von Hadronen bei 130 GeVPHENIX: PRL 88 022301 (2002)
und geladene Hadronen, zentrale KollisionenSTAR: nucl-ex/0206011
geladene Hadronen, Zentralitätsabhängigkeit
Klarer Nachweis der Unterdrückung von Hadronen mit hohem pT in zentralen Kern+Kern-Stößen
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Preliminary sNN
= 200 GeV
Unterdrückung von Hadronen bei 200 GeV
PHENIX preliminary
200 GeV Daten (vorläufig): Unterdrückung um den Faktor 4-5 bis zu transversalen Impulsen von pT = 12 GeV/c
PHENIX Vergleich peripherer und zentraler Au+Au mit gemessenen p+p
Kollisionen
STAR gel. Hadronen: Verh. zentral/peripher
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Jets in Au+Au-Kollisionen
p+p Jet+Jet (STAR @ RHIC)
Au+Au ??? (STAR @ RHIC)
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STAR Preliminary Au+Au @ 200 GeV/c, 0-5% zenralste Ereignisse
4 < pt(trig.) < 6 GeV/c, 2 GeV/c < pt(assoz.) < pt(trig.)
Differenz
Statistische Suche nach Jets in Au+Au-Stößen
• Au+Au– Fluss
• p+p und Au+Au- Kollisionen:– Dijets– Impulserhaltung– Jets – Resonanzen kleines
alle
),()(11
)(2 NdefficiencyN
Ctrigger
high-pt trigger
assoz. Teilchen,
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Periphere Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss
C2(Au Au) C2(p p) A *(1 2v22 cos(2))
Ansatz: Ein high-pt getriggertes Au+Au-Ereignis setzt sich aus einem high-pt getriggerten p+p-Ereignis und anisotropem Fluss zusammen
v2 aus der Flussanalyse
“A” in der Region ohne Jets (0.75 < || < 2.24) angepasst
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Zentrale Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss
C2(Au Au) C2(p p) A *(1 2v22 cos(2))
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Jets bei RHIC-Energien
• Der rückwärtsgerichtete Jet fehlt in zentralen Au+Au-Kollisionen im Vergleich zu p+p Daten unter Berücksichtigung von anisotropem Fluss
?
Oberflächenemission?Unterdrückung der back-to-
back Korrelationen in zentralen Au+Au Kollisionen
• Andere Möglichkeiten, das Verschwinden des rückwärtigen Jets zu erklären?
• Untersuchung kT-Effekten im Kern
• experimentell: p+Au or d+Au
• theoretisch: bessere Modellierung von kT-Effekten
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Eigenschaften von Kernmaterie bei RHIC-Energien• heiß,
– chemisches Ausfrieren bei 175 MeV– thermisches Ausfrieren bei 100 MeV– Die Ausfriertemperaturen zeigen überraschenderweise keine s-Abhängigkeit.
• schnell,– transversale Expansion mit einer Durschnittsgeschwindigkeit von >0.55 c– hohe Werte von anisotropem Fluss (v2) implizieren hydrodynamische Expansion
und hohen Druck kurz nach der Kollision
• undurchdringlich,– Sättigung von v2 bei hohem pt
– Unterdrückung von high-pt Teilchen im Vergleich zu p+p– Unterdrückung von entgegengerichteten Jets
• und es ist mit einem thermodynamischen Gleichgewicht vereinbar– perfekte Anpassung von thermischen Modellen im Gleichgewicht an gemessene
Teilchenverhältnisse– gute Übereinstimung von hydrodynamischen Modellen an Flussmessungen setzen
Gleichgewicht voraus
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Strahlzeiten am RHIC im Jahr 2003
• 29 Wochen d+Au (inkl. Herunterkühlen)– Jets konnten bereits nachgewiesen werden, aber der
genaue Vergleich zu Au+Au steht noch aus
• 8 Wochen pp
• Au+Au-Strahlzeit im Herbst
Weitere interessante Messungen in naher Zukunft ...