Programa IC do grupo 30/03/2006 1 Física Nuclear de altas energias Alexandre A. P. Suaide.

1Programa IC do grupo 30/03/2006

Física Nuclear de altas energiasAlexandre A. P. Suaide


Um pouco de História

• Até 1955 – Não se conhecia quarks e gluons– Gell-Mann e Zweig – teoria de quarks– Hadrons – partículas feitas de quarks

• Bárions – 3 quarks (protons e neutrons, p.e.)• Mésons – 2 quarks (pions, kaons, etc)

• 1964 – descoberta do bárion Omega– Última previsão de Gell-Mann and Zweig e que

convenceu todo mundo que quarks realmente existiam

• Até 1974 – podia-se explicar todos os hadons conhecidos somente com 3 quarks (u, d, s)


Um pouco de História

• 1974 – descoberta do méson J/Psi– Nome veio do fato de ter sido

descoberta simultaneamente em BNL (J) e em Stanford (Psi)

– Premio Nobel em 1976– Só pode ser explicada pela

presença de um novo quark, charm (c)

• Em 1977, um 5 quark foi descoberto, o bottom (b), no Fermilab

• Em 1995, o sexto quark, top (t), foi descoberto no FermiLab

Na verdade, era para ser beauty and truth, mas não pegou


Quarks nunca foram encontrados fora dos hadrons…

• Quarks estão sempre ligados em hádrons.– Se tentarmos

afastá-los a energia aumenta e, em situações limites, fica mais fácil criar pares de quarks-anti-quarks do vácuo.


É possível …

• … haver uma configuração da matéria na qual quarks e anti-quarks estejam livres?– QCD (Cromodinâmica Quântica) prevê que, em

condições extremas de temperatura (T > 150-160 MeV) ou densidade energética ( > 1 GeV/fm3), os hádrons não são sustentáveis e os quarks não estão confinados nessa estrutura. Esse estado da matéria foi chamado de “Plasma de Quarks e Glúons”, ou QGP, em Inglês.


A busca pelo QGP nos remete ao início dos anos de 1980

• 1983 Nuclear Science Advisory Committee (NSAC) Long Range Plan – “Finally, under conditions of very elevated energy density,

nuclear matter will exist in a wholly new phase in which there are no nucleons or hadrons composed of quarks in individual bags, but an extended quark-gluon plasma, within which the quarks are deconfined and move independently. ... The production and detection of a quark-gluon plasma in ultra-relativistic heavy ion collisions would not only be a remarkable achievement in itself, but by enabling one to study quantum chromodynamics (QCD) over large distance scales it would enable one to study fundamental aspects of QCD and confinement unattainable in few-hadron experiments. ... A second, chiral-symmetry restoring, transition is also expected at somewhat higher energy density, or perhaps coincident with the deconfinement transition; such a transition would be heralded by the quarks becoming effectively massless, and low mass pionic excitations no longer appearing in the excitation spectrum.”


Quarks se propagando livremente na terra• A necessidade para construção de um equipamento capaz

de detectar este estado da matéria data de 1984-6 em documentos da National Academy of Sciences, survey of Nuclear Physics.– “A major scientific imperative for such an accelerator derives from one of

the most striking predictions of quantum chromodynamics: that under conditions of sufficiently high temperature and density in nuclear matter, a transition will occur from excited hadronic matter to a quark-gluon plasma, in which the quarks, antiquarks and gluons of which hadrons are composed become ‘deconfined’ and are able to move about freely. The quark-gluon plasma is believed to have existed in the first few microseconds after the big bang, and it may exist today in the cores of neutron stars, but it has never been observed on Earth. Producing it in the laboratory will thus be a major scientific achievement, bringing together various elements of nuclear physics, particle physics, astrophysics, and cosmology.”

• Nesse mesmo documento, o Quark-Gluon Plasma foi definido como:– “An extreme state of matter in which quarks and gluons are deconfined and

are free to move about in a much larger volume than that of a single hadron bag. It has never been observed on earth.”


Objetivos: compreendendo a estrutura da matéria

• Matéria Nuclear– Líquido gás– Gás QGP (?)

• 1ª ou 2ª ordem (?)

Tem

pera

ture

(MeV

)

0 1 2D en sity (x 1 0 k g /m )1 8 3

B ig -b a n g

R H IC

A G SS P S

N e u tro ns ta rR e g u la r n u c lea r

m a tte r

P h a se tra n sit io n

QGPL H C

2 0 0

Tem

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)

0 1 2D e n sity (x 1 0 k g /m )1 8 3

B ig -b a n g

R H IC

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N e u tro ns ta rR e g u la r n u c lea r

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P h a se tra n sitio n

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2 0 0

C ritic a lp o in t


Objetivos: compreendendo a evolução do universo

• O modelo de Big-Bang necessita a presença do plasma logo no início da evolução do Universo


A evolução do Universo


Os cientistas e suas máquinas maravilhosas...


Criando colisões no RHIC

Animation courtesy of Brookhaven National Laboratory


Colidindo dois núcleos em energias relativísticas


As ferramentas de trabalho ...


As ferramentas de trabalho ...Argonne National Laboratory Institute of High Energy Physics - Beijing University of Bern University of Birmingham Brookhaven National Laboratory California Institute of Technology University of California, Berkeley University of California - Davis University of California - Los Angeles Carnegie Mellon University Creighton University Nuclear Physics Inst., Academy of Sciences Laboratory of High Energy Physics - Dubna Particle Physics Laboratory - Dubna University of Frankfurt Institute of Physics. Bhubaneswar Indian Institute of Technology. Mumbai Indiana University Cyclotron Facility Institut de Recherches Subatomiques de

Strasbourg University of Jammu Kent State University Institute of Modern Physics. Lanzhou Lawrence Berkeley National Laboratory Massachusetts Institute of Technology Max-Planck-Institut fuer Physics

Michigan State University Moscow Engineering Physics Institute

City College of New York NIKHEF

Ohio State University Panjab University

Pennsylvania State University Institute of High Energy Physics - Protvino

Purdue University University of Rajasthan

Rice University Instituto de Fisica da

Universidade de Sao Paulo University of Science and Technology of China

- USTC Shanghai Institue of Applied Physics - SINAP

SUBATECH Texas A&M University

University of Texas - Austin Tsinghua University

Valparaiso University Variable Energy Cyclotron Centre. Kolkata

Warsaw University of Technology University of Washington

Wayne State University Institute of Particle Physics

Yale University University of Zagreb

545 Collaborators from 51 Institutionsin 12 countries


As ferramentas de trabalho ...


Uma colisão no RHIC

Animation courtesy of the STAR Experiment at Brookhaven National Laboratory's Relativistic Heavy Ion Collider


Peripheral EventFrom real-time Level 3 display.

color code specific ionization energy loss (dE/dx)blue : large energy lossred : small energy loss

Os dados...


Mid-Central EventFrom real-time Level 3 display.

Os dados...


Central EventFrom real-time Level 3 display.

Os dados...


Quais são as nossas perguntas?

• Existe um estado da matéria no qual os quarks e gluons se movimentam livremente?– O sistema está em equilíbrio térmico?– Os graus de liberdade são quarks/gluons ou

hádrons?• Quais são as propriedades desse plasma, se

existir?– Temperatura, densidade, EOS?– Como os quarks/gluons se movimentam dentro

desse meio? Como eles interagem entre si?• Como se dá a transição de fase?


Estudando a evolução do sistema

spaceHard Scattering

AuAu

Exp

ansio

n

Hadronization

Freeze-out

QGPThermaliztion

ep K • Diferentes

observáveis• Dependência

com a energia e tamanho do sistema

• Observaveis que testem o plasma, especialmente aqueles criados antes da termalização do sistema

time jet J/DB


Partículas, partículas e mais partículas

200 GeV

130 GeV

19.6 GeV

• Au+Au (200 GeV) ~ 4800 partículas carregadas

• p + p ~ 20 partículas


Energia, muita energia!

• A energia transversal produzida está relacionada com a densidade energética atingida durante uma colisão

32

1 5 GeV/fmTBj

ER

23

3

935 MeV/c 0.1 GeV/fm4/3 rproton

mV

31 GeV/fmQGP E isso é só um limite inferior!


Equilíbrio térmico• Medida das taxas de produção de várias

partículas (hadrons) podem ser medidas– E calculadas utilizando modelos termodinâmicos

• Não é prova da termalização

• T ~ 180 MeV– TQGP ~ 160 MeV

• Se os hadrons são formados em 180 MeV então a temperatura inicial está acima da prevista para transição de fase


O Diagrama de fase


Como medir a temperatura do plasma?

• Radiação emitida– Medida de fótons de

orígem térmica• Muito difícil pois há

muitas outras fontes de fótons

• Estudos preliminares mostram T > 500 MeV!– Muito cuidado!

Resultado MUUUUITO preliminar

T0=590 MeV0=0.15 fm/c


Coletividade?

• Todas as partículas se movem com a mesma velocidade média!– Não é um sistema

de partículas independentes!

– Outro indício de um sistema térmicamente equilibrado!


Como o sistema expande? Pressão interna?

x

z

yJet 1

Coordinate space: initial

asymmetry

Momentum space: final asymmetrypy

pxx

y

Jet 2

2cos2 v

x

y

pp

atan

1

2

3

3

cos2121

nrn

tt

nvdydppNd

pdNdE


Como o sistema expande? Pressão interna?• Expansão compatível com um flúido ideal

(hidrodinâmica)• Mas quem flui? Hadrons ou quarks?


Partículas de alto momento e jatos• Colisão violenta de

dois partons• Energia aumenta a

medida que partons se afastam– Eventualmente

energia é suficiente para criar par quark anti-quark

– Processo se repete até não haver energia disponível

• Fragmentação• Quarks hadronizam

formando jato de partículas– Em geral há dois jatos


Jatos como ferramenta para testar o meio

• Jatos são produzidos nos instantes iniciais da colisão quando partons de alta energia colidem– Jatos são faceis de serem

identificados e reconstruídos em colisões p+p fornecendo a base para o estudo em colisões Au+Au

• Esses partons devem atravessar o plasma antes de fragmentarem em hadrons– O que acontece com eles?– Como o meio modifica as

suas características?

Partícula lider

q

q

Partícula lider


Como identificá-los?

• Colisões p+p– O jato é facilmente

identificado e pode-se determinar todas suas características• Energia, distribuição de

partículas, etc.• Colisões Au+Au

– Identificação dos jatos é impossível

– Métodos estatísticos


Métodos estatísticos: correlações angulares

• Determinar a partícula de maior momento na colisão (trigger)

• Obter a diferença angular com outras partículas acima de um certo momento

Px (GeV/c)

Py (G

eV/c

)

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

-4

-3

-2 -

1

0 1

2

3

4

Parto

n

Jato

|Pt


Correlações angulares

• Correlações angulares mostram estruturas similares a jatos no RHIC– Partículas de alto

momento são originadas de fragmentação de partons de alto momento!!!!

• O que acorre em colisões Au+Au centrais?– Somente 1 jato é

observado. E o segundo???


O desaparecimento dos jatos

• Perda de energia de partons no meio?

• O jato na direção oposta não é observado devido à perda de energia no meio, fazendo com que a sua energia seja reabsorvida.

Partícula lider

Partícula lider

q

q


Para onde vai a energia absorvida?

• Conservação de momento• Correlações onde o

momento associado é muito baixo apresentam estrutura compatível com conservação de momento– “Forma do sistema”

pT(assoc) > 0.15 GeV/c


As nossas perguntas iniciais…

• Existe um estado da matéria no qual quarks e gluons estão deconfinados dos hadrons (plasma de quarks e gluons)?

• Esse estado da matéria é criado no RHIC?

• Se sim, existe uma transição de fase clara para esse estado?

• Quais são as propriedades e características desse estado?


As nossas perguntas iniciais…• Existe um estado da

matéria no qual quarks e gluons estão deconfinados dos hadrons (plasma de quarks e gluons)?

• Esse estado da matéria é criado no RHIC?

• Se sim, existe uma transição de fase clara para esse estado?

• Quais são as propriedades e características desse estado?

• O RHIC criou uma matéria que possui características nunca antes vista em qualquer estado conhecido de matéria nuclear

• Existem fortes indícios que a transição de fase observada é de segunda órdem, não sendo possível observar mistura de fases (calor latente)

• A matéria criada é muito densa e altamente dissipativa.

• Exibe forte coletividade, como se fosse um fluído perfeito e não um gás ideal.

• Parece estar em equilíbrio térmico.

• Os graus de liberdade dessa matéria parecem ser partônicos (quarks e gluons) e não hadrônicos


E agora? O que fazer?

• Ficou evidenciado que, no RHIC, um novo estado da matéria nuclear é observado– Mais interessante que o previsto, mais de 20 anos

atrás.• Deve-se estudar este estado de forma

sistemática– Variar a energia e tamanho do sistema (outros feixes)– Realizar medidas de processos raros, que permitam

estudar a evolução dos sistemas• Jatos de mais altas energias• Quarks pesados (charm, bottom)


LHC – A matéria em condições mais extremas• Daqui a dois anos, o LHC (Large Hadron

Collider) entrará em operação.– 30x mais energia que no RHIC

•A matéria nuclear em condições mais extremas•O plasma terá uma vida mais longa, permitindo

um estudo sistemático mais completo•Jatos e quarks pesados terão taxas de produção

mais elevadas, permitindo um estudo detalhado da interação entre quarks e o meio


LHC – um pouco de perspectiva


Alice – A Large Ion Collider Experiment


A aventura está apenas começando…

Já descobrimos a nossa América… temos agora que conhecê-la e

explorá-la

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