Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

33
Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk… Preco zrázat’ aj t’azké ióny na LHC ? Experimentálne podmienky Detektor ALICE

description

Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…. Preco zrázat’ aj t’azké ióny na LHC ? Experimentálne podmienky Detektor ALICE. Vákum v QED a QCD kvantová elektrodynamika: QED kvantová chromdynamika: QCD. Energia páru nábojov spontánne narodených vo vákuu – kvantová fluktuácia (h = 1, c = 1): - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

Page 1: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

Fyzika t’azkých iónovalebo malý tresk…

Preco zrázat’ aj t’azké

ióny na LHC ?

Experimentálne podmienky

Detektor ALICE

Page 2: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 2

Vákum v QED a QCD kvantová elektrodynamika: QEDkvantová chromdynamika: QCD

• Energia páru nábojov spontánne narodených vo vákuu – kvantová fluktuácia (h = 1, c = 1):

Ekin = p ~ 1/r (pr ≥ 1)

Epot = – q2/(4πr) (q = e or q = gs)

E = Ekin + Epot = (1/r)(1 – q2/4π)

• v QED toto je pravda pre lubovlonú “skálu” (uz po Planckovu “skálu” ~ 10-20 fm)

• v QCD to je vsak správne len pre velmi male vzdialenost’, niekol’ko fm (10-13 cm)

Page 3: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 3

Prípad QED

• v QED

q2 = e2 = 4παem

– αem sa mení zo vzdialenostou (polarizácia vákua)

– kde pre velké vzdialenosti αem = 1/137

– pri EW (elektro-slabej) skále (r = 210-3 fm) αem = 1/128

– pri Planckovej “skále” (r = 10-20 fm) αem = 1/76

• To znamená, ze císelný faktor pred 1/r: (1 – q2/4π) sa mení zo vzdialonost’ou, ale– len málo, medzi 0.987 – 0.993 (i.e. 0.6%) ak meníme

vzdialenost’ od Planckovej “skály” az po nekonecno…

Page 4: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 4

Prípad QCD• v QCD

q2 = gs2 = 4παs

– kde αs sa zmensuje vel’mi rýchlo zo vzdialonost’ou (asymptotická sloboda)

– pri Planckovej skále αs = 0.04– pri elektro-slabej skále αs = 0.118– pri QCD ≈ 0.2GeV (r ≈ 1 fm) αs ≈ 1

• numerický faktor (1 – q2/4π) = 1 – αs – sa znizuje so vzdialenost’ou, pri Planckovej skále je 0.96– ale pozor, pre r ≈ 1 fm uz je záporný !

• pri vacsích vzdialenostíach je E = σr (σ ≈ 1 GeV/fm)– a tento faktor je opät’ kladný

Page 5: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 5

QED versus QCD

QED QCD

Energ

y o

f p

air

Energ

y o

f p

air

Distance Distance

r = 1fm

Kinetická energia stále dominujenad potenciálnou (pole je slabé)

virtual páry

Energia skrytá v poli prevázi prinejakej vzdialenosti kinetickúrealne páry – vakuový kondensát

Page 6: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 6

Symetrie QCD

• QCD má dve priblizné symetrie:– Z3–(centre) symetriu (pre cisto kalibracnú toer, t.j. v limite mq ) – chirálnu symetriu (obnovenú pre nulové hmotnosti, t.j. mq 0)

• Pri vel’kých hustotách a teplotách sa nakoniec– Z3–symetria narusí (prechod od confinementu k deconfinementu)– chirálna symetria obnoví (chirálny fázový prechod)

• Otázky:

– existuje jeden spolocný fázový prechod alebo dva nezávislé?– akého druhu je tento (tieto) fázový(é) prechod(y)

• prvého druhu (má latentné teplo) ?• druhého druhu (len zlom) ?• alebo je to len cross-over prechod ?

Page 7: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 7

Confinement (uveznenie)• hmotné kvarky v cisto gluónovm vákume pri nulovej teplote

– nie sú viditelné detektorom kvôli destruktívnej inerferencii– expectation hodnota pre stopu kvarkového propagátoru – 3–

hodnotový path integrál s rôznými fázami

exp (i 2πj/3), j=1,2,3 (generátory Z3)

– zvysujúc teploty T az po nejakú hodnotu toto zostane tak• az pokial gluónové pole bude mat’ dostatok casu sledovat

(koherentný rearangement) nas testový farebný náboj

– Dalsie zvýsenie teploty (nad nejakú kritickú hodnotu) gluónové pole nebude mat’ dostatok casu

• Interferencia troch ciest sa narusí

• test farebný náboj sa stane detekovatelný, bude deconfinovaný

– Toto sa dá spocítat’ analytickým predlzením kvarkového propagátoru v komplexnom case (t = +i/T) – Polyakov loop – ktotý sa stane nenulovým pre T > Tc

• Polyakov loop je “order parameter” fázového prechodu

Page 8: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 8

Chirálna symetria

• Pre mq 0 helicita kavarkov sa zachováva

– pretoze gluóny majú helicity ±1 QCD teória v tejto limite má SU(3)LSU(3)R symetriu

• QCD svet sa rozpadol na dva svety ktoré navzájom nekomunikujú – lavácky svet a právácky

– ak dáme do QCD vákua nehmotný lavotocivý kvark on môze anihilovat’ s lavotocivým anti-kvarkom z vákuového kondenzátu – tým sa ale oslobodí pravotocivé kvark

• pre vzdialeného pozorovatela nas testový kvark spontánne zmenil helicitu a preto musel nejako získat’ dynamickú hmotnost’ !

• QCD kvark—anti-kvarkový kondenzátate generuje dynamické kvarkové hmotnost a narusuje chirálnu symetriu

– ak zvýsime teplotu kinetická energia nabitého páru (nad nejakou hodnotou) prevýsi potenciálnu energiu

• kvark—anti-kvark kondensát zmizne z vákua• chirálna symetria sa obnoví above nad nejakou kritickou teplotou• hodnota <0|qq|0> je “order parameter” fázového prechodu

Page 9: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 9

Symetrie QCD

• Obidve symetrie sú narusené dynamicky– Z3 symmetria je narusená kinetickou energiou (pri vysokej T)

• order parameter (Polyakov loop) je nulový pod Tc a nenulový nad

• je to “order – disorder” fázový prechod, Z3 je narysena nad Tc

– chirálna symetria je narusená potenciálnou energiou (pri nizkej T)• order parameter (kvark—anti-kvarkový konde’nzát) je nenulový pod Tc a

nulový nad• je to “disorder – order” fázový prechod, chirálna symetria je obnovená

nad Tc

• Obidve sú vsak narusené aj explicitne – hmotnostným clenom– pre malost’ mq je reálne ze scénar ohl’adom chirálnej symetrie

zostane dobrým priblízením

– ale co so Z3 symetriou, preco nie je úplne znicená malost’ou mq ?

Page 10: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 10

Obnovenie konfinementu

• Ked sa snazíme znizit mq z nekonecna na ich vlastnú (malú) hodnotu to co sa stane závisí od teploty:– pri nízkych teplotách mq sa efektívne prestane znizovat’ ked

ked’ prídeme pod dynamickú hmotnost’ kvarku Mq ≈ 350 MeV pretoze chirálna symetria je narusená

– Z3 symetria zostane pribliznou symetriou pri nízkych teplotách aj po takomto tvrdom pokuse o explictné narusenie

– narusenie chirálnej symetrie efektívne zvysuje hmotnosti kvarkov a preto riadi obnovenie Z3 symetrie

– toto je argument preto, aby obidva fázové prechody nastali v tom istom bode

Page 11: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 11

Fázy QCD – hrackársky model

• uvázme – fázu v confinemente (hadrón plyn, HG) z piónov – deconfinovanú fázu (kvark—gluónovú plazma, QGP) z gluónov

a dvoch typov (vôní) kvarkov– stavové rovnica pre ideálny plyn

= (g/30) π2T4 , p = /3 = (g/90) π2T4

kde g = nb + (7/8) nf

• pre HG nb = 3, nf = 0

pHG = (1/30) π2T4

• pre QGP: nb = 16, nf = 24 ale teraz máme aj vonkajsí tlak od QCD vákua B

pQGP = (37/90) π2T4 – B

• na hranici dvoch fáz – tlak musí byt’rovnaký

Tc = (90B/34π2)1/4 = 144 MeV pre B1/4 = 200 MeV (MIT bag model)

Page 12: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 12

Fázy QCD – poruchová teória

• pri nenulovej baryónovej hustote – prvý rád p-QCD

= [16(1 – 15αs/4π) + (7/8)12nq(1 – 50αs/21π)] (1/30) π2T4 +

+ Σq 16(1 – 15αs/2π) (3/ π2)μq2(π2T4 + μq

2( /2)

(pre μq = 0, αs = 0, a nq = 2 dostaneme nas hrackársky model)

pouzijúc αs = 0.4 tou istou cestou dostaneme Tc = 164 MeV

• Dnes analytické výpocty exstujú aj pre vyssie rády

Page 13: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 13

QCD na mriezke

Quark—anti-quark vacuumcondensate as function of temperature QCD equation of state

Page 14: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 14

Fázový diagram QCD

Page 15: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 15

Big Bang

SPS

LH

C

Page 16: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 16

Priestorovo-casový vývoj

Page 17: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 17

Preco tázké ióny v LHC? ... faktor ~30 skok v s ...

<0.2~0.5~10 (fm/c)

4–101.5–4.0<1QGP (fm/c)

2x1047x103103Vf(fm3)

15–404–52.5 (GeV/fm3)

2–8 x103850500dNch/dy

550020017s1/2(GeV)

LHCRHICSPSCentral collisions

J. Schukraft QM2001: hotter - bigger -longer

lived

LHC > RHIC > SPS

Vf LHC> Vf RHIC> Vf SPS

LHC > RHIC > SPS

Page 18: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 18

LHC energiaPre A-A zrázky:

Ecms = 5500 A GeV

Elab = Ecms2 / (2A mN) = 1.61 107 A GeV

pre ióny olova Elab Pb-Pb = 3.35 109 GeV = 3.35 1012 MeV

dalej potrebujeme Harald Fritzsch Identity (definícia Anglo-Saxonskej libry £AS)

2 10-30 £AS = me (= 0.511 MeV)

a najaké iné definície (gravitacné zrýchlenie g,

g = 1 in/tr2 (1 s = 19.65 tr, trice)

(rýchlost’ svetla c) c = 6 108 in/tr

mec2 = 72 10-14 £AS in (= 0.511 MeV)

1 MeV = 1.41 10-12 £AS in

Nakoniec

Elab Pb-Pb = 1 £AS 4.7’’ (= 0.45 kg 12 cm)

Page 19: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 19

LHC energia (pokracovanie)

A pre pp zrázky:

Elab pp(14TeV) = 0.15 £AS in ≈ ¼ £AS ½’’ = ⅛ £AS 1’’ = …

Pre tých ktorý neradi sedia na ióne olova (a lietajú vo vákuovej trubici LHC)

Ecms Pb-Pb = 5500 A GeV = 1.14 109 MeV

(HFI, etc.)

Ecms Pb-Pb = 10-3 £AS 1.6’’ (= 0.45 g 4 cm)

Stále, je to makroskopická energia !!! (zrázka by sa dala aj pocut’)

Ale rozmer oloveného jadra

je viac ako 10-13 mensí !!!

Page 20: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 20

Nové aspekty

Kvalitatívne nevý rezim

• Tvrdé procesy budú signifikantnou cast’ou úplného AA úcinného prierezu (σhard/σtot = 98%)

– Dominované tvrdými

procesmi

– Velmi tvrdéd produkty budú casto produkované

• Slabo interagujúce produkty sa stanú dostupné (, Z0, W±)

LHC

RHIC

SPS

(h++h-)/2

0

17 GeV

200 GeV

5500 GeV=√s

LO p+p y=0

Page 21: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 21

A dalej Kvalitatívne zlepsenia:

Nulová hustota baryónov (B 0):

blizsie ku skorému Vesmíru, blizsia ku QCD na mriezke

Vysoká hustota energie moznost’ dostat’ sa k limite “idealneho plynu”

Silnejsie termalne

ziarenie

Tvrdé próby:

Tazké vône

Jety a jet oslabenie

Dominantné procesy pre produkciu castícSPS: mäkkéRHIC: mäkké a polo-tvrdéLHC: polo-tvrdé a tvrdé

(F.Karsch)

Page 22: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 22

hep-ph0104010√s (GeV)10 102 103

1.0

5.0

10.0

15.0

Nch

/(0

.5N

par

t)

5

102 103 104

dN

ch/d

|<

1

2

5

103

ALICE optimilizovaná pre dNch/dy = 4000, ale skúsaná aj 8000 (reality faktor 2)

dNch/d ~ 1500

Kolko castíc sa narodí v PbPb zrazke? Staré odhady: dNch/dy = 2000 – 8000,

teraz môzme extrapolovat’ z RHICu

dNch/d ~ 2500

(from K.Kajantie, K.Eskola)

Page 23: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 23

If you thought this was difficult ...

NA49 experiment:

A Pb-Pb event

Page 24: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 24

STARSTAR

A central Au-Au event

@ ~130 GeV/nucleon

and this was even more difficult ...

Page 25: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 25

ALICE Pb-Pb central event

Nch(-0.5<<0.5)=8000

… then what about this!

Page 26: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 26

Experimentálne podmienky @ LHC

• pp zrázky zacnú na jar 2008

• Pociatocný program s t’azkými iónmi na LHC

• Niekolko prvých rokov (1HI ‘rok’ = 106 efaktívnych s, ~ako na SPS)

– 2 - 3 roky Pb-Pb L ~ 1027 cm-2s-1

– 1 rok p - Pb ‘like’ (p, d or ) L ~ 1029 cm-2s-1

– 1 rok láhké ióny (eg Ar-Ar) L ~ few 1027 to 1029 cm-2s-1

plus, pre ALICE (limited by pileup v TPC):

– reg. pp run at s = 14 TeV L ~ 1029 and < 1031 cm-2s-1

• Neskôr: rôzne moznosti v závislosti na fyzikálnych výsledkoch

• Zrázky tázkých iónov – cast’ pociatocného programu LHC, prvý run sa ocakáva na konci 2008

Page 27: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 27

LHC experiments

JURA

ALPES

Page 28: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 28

Large Heavy-ion Collider (LHC)Solenoid magnet 0.5 T

Central tracking system• ITS • TPC• TRD• TOF

MUON Spectrometer• absorbers• tracking stations• trigger chambers• dipole magnet

Specialized detectors• HMPID• PHOS

Forward detectors• PMD• FMD, T0, V0, ZDC

Cosmic-ray trigger

Page 29: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 29

ALICE TPC

Page 30: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 30

TPC

TRD

TOF

PHOS

RICH

ITS

Pb-Scintillator EMCal = 1.4 120°

US EMCaL (under discussion)

Page 31: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 31

ALICE Collaboration

UKPORTUGAL

JINR

GERMANY

SWEDENCZECH REP.

HUNGARYNORWAY

SLOVAKIAPOLANDNETHERLANDS

GREECE

DENMARKFINLAND

SWITZERLAND

RUSSIA CERN

FRANCE

MEXICOCROATIA ROMANIA

CHINA

USAARMENIA

UKRAINE

INDIA

ITALYS. KOREA

~ 1000 Members

(63% from CERN MS)

~30 Countries

~80 Institutes

0

200

400

600

800

1000

1200

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004

ALICE Collaboration statistics

LoI

MoU

TP

TRD

Page 32: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 32

ALICE construction status

Page 33: Fyzika t’azkých iónov alebo malý tresk…

CERN, 27 April, 2007 Fyzika tázkých iónov Karel Šafařík 33

ALICE is open for new ideas