Fisica Subnucleare Modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti 4 a lezione Dr....
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Fisica Subnucleare
Modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti
4a lezione
Dr. Francesco Noferini
1Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
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Sommario del modulo
• Motivazioni: il deconfinamento• Collisioni nucleo-nucleo• Risultati sperimentali in collisioni nucleo-
nucleo (SPS,RHIC)• Risultati ad LHC e prospettive
2Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
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LHC (Large Hadron Collider)
3Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
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4
L’esperimento ALICE
• Capacità di rivelare diversi tipi di segnali (fisica variegata):– Alte molteplicità;– Identificazione delle particelle;– Misure di impulso;– Segnali leptonici (elettroni, muoni, …);– Misure di centralità;– Fotoni e segnali ad alto pT.
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
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5
Il rivelatore ALICESolenoid magnet 0.5 T
PHOS
ITS
PMD
HMPID
TOFTRD
Muon Arm
TPC
FMDT0,V0,ZDC
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Range di identificazione in ALICE
6Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
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Produzione di particelle in collisioni pp
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
7
Confronto (entro 1 ) tra ATLAS, ALICE, CMSa parità di condizioni sperimentali
Confronto (entro 1 ) tra ATLAS, ALICE, CMSa parità di condizioni sperimentali
z
η = 0 η = 1η = -1
45o
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Distribuzione di energia
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
8
Distribuzioni di impulso (energia) delle particelle prodotte in collisioni pp all’energie
nel centro di massa di 900 GeV e 7 TeV.Riferimento per collisioni PbPb e fisica dei jet
Distribuzioni di impulso (energia) delle particelle prodotte in collisioni pp all’energie
nel centro di massa di 900 GeV e 7 TeV.Riferimento per collisioni PbPb e fisica dei jet
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Distribuzioni per particelle identicate
9
Particelle d’impulso trasverso superiore a 0.5 GeV/c sono state identificate utilizzando il TOF (sez. Bologna)
TOF range
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Rapporti di particelle
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
10
A LHC sono stati misurati i rapporti di particelle a volori di energia e di impulso trasverso più alti rispetto agli esperimenti precedenti.Aumento della produzione di mesoni con stranezza.
A LHC sono stati misurati i rapporti di particelle a volori di energia e di impulso trasverso più alti rispetto agli esperimenti precedenti.Aumento della produzione di mesoni con stranezza.
50.y
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Collisioni PbPb
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11
Event display di ALICE in collisioni PbPb
Nel passaggio dalle collisioni pp a quelle PbPb si passa a scenari di elevatissima molteplicità di particelle (diverse migliaia in questo event display)
Nel passaggio dalle collisioni pp a quelle PbPb si passa a scenari di elevatissima molteplicità di particelle (diverse migliaia in questo event display)
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Centralità in collisioni ione-ione
12
b
Parametro di impatto
Regione di sovrapposizione dei due nuclei
La centralità della collisione può essere espressa anche in termini dei nucleoni che partecipano alla collisioni (Npart)
Nucleoni (n,p) che non partecipanoalla collisione
Quark e gluoni prodotti nei primiistanti della collisione
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dNch/d vs. centralità (PbPb)
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
13
Molteplicità di particelle cariche in eventiPbPb in funzione della centralitàMolteplicità di particelle cariche in eventiPbPb in funzione della centralità
Fino a 1600 tracce cariche per unità di rapidità nelle collisioni più centrali
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Distribuzioni per particelle identicate (pp vs. PbPb)
14Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
Le distribuzioni in impulso delle particelle hanno comportamenti diversi passando da collisioni pp a collisione PbPb (per esempio la produzione dei protoni si avvicina ad alto impuslo a quella dei pioni in collisioni centrali)
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Identificazione di particelle in singoli eventi
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
15
L’elevata moltiplicità in collisioni PbPb centrali consente di misurare chiaramente i picchi delle particelle maggiormente prodotte in singoli eventi.
Fluttuazioni nei rapporti, evento per evento, danno informazioni sulla dinamica nel meccanismo di produzione di particelle.
L’elevata moltiplicità in collisioni PbPb centrali consente di misurare chiaramente i picchi delle particelle maggiormente prodotte in singoli eventi.
Fluttuazioni nei rapporti, evento per evento, danno informazioni sulla dinamica nel meccanismo di produzione di particelle.
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Antimateria
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
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Segnali dianti-elio osservati da ALICE in eventi PbPb MB.
Alcuni candidati 4He selezionati.
Segnali dianti-elio osservati da ALICE in eventi PbPb MB.
Alcuni candidati 4He selezionati.
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SPS: J/ψ suppressionSoppressione della J/ψ in funzione della densità di energia nella collisione.
17Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
00
1
y
dy
dE
Sc
Bjorken’s formula
Transverse dimension S :2PbRS 3/1fm2.1 ARA
fm1.7)208(fm2.1 3/1 PbR2fm160S
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J/ψ a LHC (collisioni pp)
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 18
La produzione della J/ψ in funzione dell’energia segue l’andamento delle previsioni pQCD al NLO
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19
Strong QGP: il flusso ellittico
L’espansione è guidata da un gradiente di pressione
Le particelle sono emesse più probabilmente lungo il piano di reazione
dN/d
φ
2v2
13
3
cos212
1
nRn
tt
nvdydpp
dN
dp
NdE
Fisica subnucleare - F. Noferini
Lunedì 23/05/11, 12-14
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PR
L 92
(20
04
) 05
23
02
; PR
L 91
(20
03
) 18
23
01
P. Sorensen
20
L’anisotropia di tipo ellittico segue uno scaling con il numero di partoni costituenti:
Se il flusso ellittico è prodotto nella fase partonica, quando il sistema adronizza ogni particella riceve un v2 e un pT in dipendenza del suo contenuto di quark.
TT
h pn
nvpv1
)( 22
Coalescenza
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
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Elliptic Flow in ALICE
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 21
Le misure a LHC del flusso ellittico sono già competitive con quelle di RHIC e l’identificazione di particelle permette di investigare diversi scenari
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Confronto tra le diverse specie
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 22
Per collisioni ad alte centralità la descrizione dei modelli idrodinamici che funzionavano a RHIC non descrivono il flusso dei protoni
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Flusso ellittico per quark
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 23
Anche normalizzando al numero di quark (coalescenza) i protoni si discostano dai pioni per alte centralità
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24
Un mezzo “colorato”: Il Jet Quenching
Rapporto tra i prodotti in collisioni AuAu e collisioni pp.
Fotoni: no interazione con il mezzo.
Adroni: interazione con il mezzo
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
ppTcoll
AAT
TAA dpdNN
dpdNpR
/
/
0
0
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Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 25
Geometria della collisione
L1
L2
Proprietà:
• L1≠L2
• Forte dipendenza dal parametro d’impatto (b)
• ΔEi aumenta con Li
Produzione di una coppia di Jet
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26
Correlazioni di particelleIl metodo tradizionale consiste nel considerare le distanze angolari tra una particella ad alto pT (particella leading) e tutte le altre particelle dello stesso evento con un pT elevato.
Definite le due soglie di impulso trasverso (pT
lead, pTassoc) si considerano gli eventi con
almeno una particella carica di pT > pTlead e si
graficano le distribuzioni angolari di tutte le particelle dell'evento con impulso pT > pT
assoc.
In tal modo si selezionano le correlazioni delle particelle appartenenti al jet la cui direzione è data dalla particella leading dell'evento.
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27
• Analisi in 2 dimensioni• Allungamento in Δ
sotto il picco del jet: il “ridge”
Correlazioni in due dimensioni: Δ- Δ
beam direction
ridge
ridge
jet
jet+ridge
p Ttrig
ger =
3-6
GeV
/c,
1.5
GeV
/c <
p Tasso
ciat
ed<
p Ttrig
ger
Fisica subnucleare - F. Noferini
Lunedì 23/05/11, 12-14
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“Ridge” in collisioni pp: CMS
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
28
Correlazioni a lungo raggio: arXiv:1009.4122
Prima osservazione di simili correlazioni in collisioni pp in eventi di alta molteplicità
Prima osservazione di simili correlazioni in collisioni pp in eventi di alta molteplicità
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29
periferichecentrali
Dipendenza dalla centralità
Contropicco: Sopressione del jetSpostamento del picco: Risposta del mezzo
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
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Correlazioni di particelle a LHC
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 30
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31
Three regions on away side:center = (, ) ±0.4corner = (+1,+1) ±0.4 x2cone = (+1,-1) ±0.4 x2
away
near
Medium
mach cone
Mediumaway
near
deflected jets1
2
0
0
1
2
0
0
pTtrig=3-4, pT
assoc=1-2 GeV/c2-particle corr, bg, v2 subtracted
φ2=
φ2-φ
trig
d+Au min-bias
dN
2/d
Δφ
1dΔ
φ2/N
trig
φ1=φ1-φtrig
φ2=
φ2-φ
trig
Au+Au 10%
difference in Au+Auaverage signal per
radian2:center – corner = 0.3 ± 0.3 (stat) ± 0.4
(syst)center – cone = 2.6 ± 0.3 (stat) ± 0.8
(syst)
conical flow? 3-particle correlation
L’effetto Mach cone non si vede nei dati a RHIC
L’effetto Mach cone non si vede nei dati a RHIC
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
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Correlazione a 3 particelle (LHC)
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 32
2.5 < pTTrigger < 4 GeV/c
1 < pTAssociated < 2 GeV/c
Proiezione nella direzione fuori dalla diagonale
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Soppressione nei jet
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14
33
L1
L2
In una collisione PbPb la la formazione di un mezzo denso (QGP) può portare alla soppressione di particelle di alto impulso
•L1≠L2
• Forte dipendenza dal parametro d’impatto(b)
• ΔEi aumenta con Li
Produzione di una coppia di jet
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RAA ALICE, soprressione segnali con grandi momenti (jet quenching)
34
ppThcoll
AAThTAA dpdNN
dpdNpR
/
/
ALICE
STAR/PHENIX
Estesa la misura di jet quenching all’energia di 7 TeV e fino ad impulsi di 20 GeV/c
Estesa la misura di jet quenching all’energia di 7 TeV e fino ad impulsi di 20 GeV/c
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Ancora sul rapporto RAA a LHC
Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 35
Dipendenza dalla centralità, energia del jet e quark
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Jet quenching in [email protected] ATeV
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ATLAS
21
21
TT
TTj EE
EEA
arXiv:1102.1957
Assimmetria nell’energia dei jet(leading - subleading):definizione comune ad ATLAS e CMS
leadingsubleading
Correlazione angolare dei jet leading e jet subleading
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Jet quenching (ATLAS e CMS)
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21
21
TT
TTj EE
EEA
leadingsubleading
Passando da collisioni periferiche a collisioni centrali: •il jet subleading ha un’energia più piccola del jet leading• la correlazione angolare si allarga
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Jet quenching (CMS)
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21
21
TT
TTj EE
EEA
22subleadingleadingparticlesubleadingleadingparticlesubleadingleadingR ///
Passando da jet subleading con piccolo quenching a quelli con altro quenching è stato osservato un sensibile cambio nella forma del jet
Passando da jet subleading con piccolo quenching a quelli con altro quenching è stato osservato un sensibile cambio nella forma del jet
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Conclusioni
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• L’attività ad LHC (2009-2010) ha permesso la caratterizzazione degli eventi in collisioni pp e PbPb in intervalli di energia e di molteplicità fino ad allora inesplorati con il contributo di tutti gli esperimenti principali
• Nel Novembre del 2010 abbiamo avuto le prime collisioni PbPb e sono stati osservati in breve tempo segnali interessanti in alcuni casi confrontabili con quelli del RHIC per precisione
• L’innovazione nei rivelatori ha permesso inoltre di ampliare il numero di osservabili:– Identificazione di particelle a impulsi più elevati (ALICE-TOF)– Jet ad altissimo impulso per l’analisi del jet quenching in collisioni PbPb
(ATLAS e CMS)