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

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Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC

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Presentation Transcript


Schwerionenphysik am relativistic heavy ion collider rhic

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft

Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC

Markus D. Oldenburg

Aachen, 13. März 2003


Bersicht

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

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Phasendiagramm von kernmaterie nach qcd

Phasendiagramm von Kernmaterie (nach QCD)

T

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 << LQCD: starke Kopplung  Quark-Einschluss in Hadronen

  • T >> LQCD: schwache Kopplung  Quark-Einschluss aufgehoben (Deconfinement/Quark Gluon Plasma)

  •  Phasenübergang bei T~ LQCD?

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Qcd gitterrechnungen

QCD-Gitterrechnungen

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kritische Energiedichte:

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q

  • gleichzeitige Übergänge:

    • Deconfinement

    • Wiederherstellung der chiralen Symmetrie

Ideales Gas (Stefan-Boltzmann Grenzfall)

F. Karsch, hep-ph/0103314

TC ~ 175 MeV  eC ~ 1 GeV/fm3

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Der phasen bergang im labor

Der Phasenübergang im Labor

soft Physics

(low-pT)

elektro-magn.

Signale (l+l-, g)

“harte” (high-pT) Physik

chemisches Ausfrieren (Tch  Tc) : Ende der inelastischen Stöße

kinetisches Ausfrieren (Tkfo Tch): Ende der elastischen Stöße

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


The r elativistic h eavy i on c ollider

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)

  • 7.5108 Au/bunch @ Speicherenergie

  • Speicherenergie: 100 GeV/A

  • Kollisionsenergie: 200 GeV/Nukl.-paar

  • Max. Luminosität: 51026 cm-2 s-1

    pp-Strahlzeit 2001/2002

  • 55 bunches pro Ring

  • 0.81011 p/bunch

  • Energie/Strahl: 100 GeV

  • Max. Luminosität: 1.51030 cm-2 s-1

  • Strahlpolarisation ~ 25% ( AGS)

PHOBOS

BRAHMS

PHENIX

STAR

Long Island

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Schwerionenphysik am relativistic heavy ion collider rhic

Silicon Vertex             Tracker

Coils

Magnet

E-M Calorimeter

Time Projection           Chamber

Time of    Flight

Electronics Platforms

Forward Time Projection Chamber

Die “großen” RHIC-Experimente

STAR

Magnetspule,

Tracking über großen Raumwinkelbereich,

TPCs, Si-Vertex Tracker, RICH, EM Cal, TOF

~420 Mitarbeiter

PHENIX

Achsiales 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

  • Hadronische Observablen in großem

  • Raumwinkelbereich

  • Einzelereignis-Analyse von Hadronen und

  • Jets

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Schwerionenphysik am relativistic heavy ion collider rhic

Die “kleinen” RHIC-Experimente

BRAHMS

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

Paddle Trigger Counter

TOF

Spectrometer

Octagon+Vertex

Ring Counters

  • geladenen Hadronen in ausgewählten

  • Raumwinkelbereichen

  • Multiplizität in 4

  • Teilchenkorrelationen

  • inklusive Teilchenspektren über

  • große Rapiditätsbereiche

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Geometrie einer schwerionenkollision

Geometrie einer Schwerionenkollision

peripher

zentral

Stoßparameter b

periphere Kollision: b  bmax

zentrale Kollision: b  0

b

Anzahl der Partizipanden (Npart):Anzahl der einlaufenden Nukleonen in der “Überlapp”-Region

Anzahl der binären Kollisionen (Nbin): Anzahl der inelastischen Nukleon-Nukleon Kollisionen

Nbin Npart/2

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Schwerionenphysik am relativistic heavy ion collider rhic

STAR

Peripheres Ereignis

(Echtzeit Level-3 Display)

Farbkodierung  Energieverlust

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Schwerionenphysik am relativistic heavy ion collider rhic

STAR

Zentrales Ereignis

(Echtzeit Level-3 Display)

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Multiplizit t geladener teilchen

Multiplizität geladener Teilchen

19.6 GeV

130 GeV

200 GeV

PHOBOS Preliminary

zentral

dNch/dh

peripher

h

Zentrale Kollisionen

bei 130 GeV:

4200geladene Teilchen!

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Energiedichte

Energiedichte

  • Wie groß ist die erreichte Energiedichte?

  • Vergleich mit der erwarteten Energiedichte beim Phasenübergang

PHENIX

EMCAL

“zentralste” Ereignisse

Bjorken-Formel für Energiedichte bei Thermalisierung (Modell !!!)

130 GeV

Zeit bis zur Thermalisierung

(t0 ~ 1 fm/c)

~6.5 fm

eBjorken~ 4.6 GeV/fm3

pR2

~ 30fache Grundzustandsdichte von Kernmaterie ~ 1.5 bis 2 mal höher als am SPS (s = 17 GeV)

~ 5 mal so groß wie ecritical von QCD-Gitterrechnungen

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Teilchenspektren bei 200 gev n

Teilchenspektren bei 200 GeV/N

_

p

p+

K-

STAR Preliminary

STAR Preliminary

STAR Preliminary

p+, p-, 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))

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Antiteilchen zu teilchen verh ltnisse

Antiteilchen zu Teilchen-Verhältnisse

K+/K- ratios

p-bar/p ratios

STAR

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

Sehr gute Übereinstimmung der versch. RHIC-Experimente

bei y = 0, Ös = 130 GeV

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Anti baryon zu baryon verh ltnis vs s nn

Anti-Baryon zu Baryon Verhältnis vs. sNN

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p+p p/p ISR

STAR preliminary

  • 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”).

Baryonen werden am RHIC stärker paarweise erzeugt als aus den Anfangskernen zu mittleren Rapiditäten transportiert.

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Chemisches ausfrieren thermisches modell

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

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Wo befinden wir uns im phasendiagramm

Wo befinden wir uns im Phasendiagramm?

Frühes Universum

250

Quark-Gluon

Plasma

RHIC

200

Lattice QCD

“Chemische” Temperatur Tch [MeV]

SPS

150

AGS

Deconfinement

Chiral Restauration

100

SIS

Hadrongas

50

Atomkerne

0

0

200

400

600

800

1000

1200

Baryo-chemisches Potential b [MeV]

  • 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!

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Transversaler fluss

Transversaler Fluss

Die Steigungen nehmen mit zunehmender Teilchenmasse ab. <pT> und effektive Temperatur nehmen daher mit der Masse zu.

Au+Au bei 200 GeV

STAR

-

Tobs ≈ 215 MeV

K-

Tobs ≈ 310 MeV

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:

p

Tobs ≈ 575 MeV

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Kinetischer freezeout mit transversalem fluss

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

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

Anisotroper Fluss

z

y

y

py

x

px

x

  • 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”

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Zentralit tsabh ngigkeit von v 2 130 gev

Zentralitätsabhängigkeit von v2 (130 GeV)

Hydro-Vorhersagen

  • 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.

PRL 86, (2001) 402 [STAR; stimmt mit PHENIX überein]

ansteigende Zentralität 

Anisotroper Fluss erreicht am RHIC sehr hohe Werte

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V 2 vs p t und teilchenmasse 130 gev

v2 vs. pt und Teilchenmasse (130 GeV)

PRL 86, 402 (2001) & nucl-ex/0107003 (STAR)

  • Massenabhängigkeit wird von hydro- dynamischen Modellen reproduziert

    • Hydro setzt lokales thermisches Gleichgewicht voraus

    • kurz nach der Kollision

    • anschließende hydrodynamische Expansion der Quelle

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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V 2 f r high p t teilchen 130 gev

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 st e in schwerionenkollisionen

“Harte” Stöße in Schwerionenkollisionen

Schema der Jet-Produktion

Hadronen

leading

particle

q

q

Hadronen

leading particle

Vakuum

QGP

  • 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

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Hadronen mit gro em p t

Hadronen mit großem pt

Preliminary sNN = 200 GeV

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Messung von hadron unterdr ckung

Messung von Hadron-Unterdrückung

N+N Wirkungs-

querschnitt

<Nbin>/sinelp+p

1. Vergleich: Au+Au mit N+N Wirkungsquerschnitten

2. 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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Unterdr ckung von hadronen bei 130 gev

Unterdrückung von Hadronen bei 130 GeV

PHENIX: PRL 88 022301 (2002)

p0 und geladene Hadronen, zentrale Kollisionen

STAR: nucl-ex/0206011

geladene Hadronen, Zentralitätsabhängigkeit

Klarer Nachweis der Unterdrückung von Hadronen mit hohem pT in zentralen Kern+Kern-Stößen

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Unterdr ckung von hadronen bei 200 gev

Unterdrückung von Hadronen bei 200 GeV

Preliminary sNN = 200 GeV

PHENIX p0: Vergleich peripherer und zentraler Au+Au mit gemessenen p+p Kollisionen

STAR gel. Hadronen: Verh. zentral/peripher

PHENIX preliminary

200 GeV Daten (vorläufig): Unterdrückung um den Faktor 4-5 bis zu transversalen Impulsen von pT = 12 GeV/c

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Jets in au au kollisionen

Jets in Au+Au-Kollisionen

Au+Au  ??? (STAR @ RHIC)

p+p  Jet+Jet (STAR @ RHIC)

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Statistische suche nach jets in au au st en

Statistische Suche nach Jets in Au+Au-Stößen

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

high-pttrigger

  • Au+Au

    • Fluss

  • p+p und Au+Au- Kollisionen:

    • Dijets

    • Impulserhaltung

    • Jets

    • Resonanzen

, 

assoz. Teilchen

alle 

kleines 

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Periphere au au kollisionen vs pp fluss

Periphere Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss

  • 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

Zentrale Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss

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Jets bei rhic energien

Jets bei RHIC-Energien

Unterdrückung der back-to-back Korrelationen in zentralen Au+Au Kollisionen

Oberflächenemission?

  • Der rückwärtsgerichtete Jet fehlt in zentralen Au+Au-Kollisionen im Vergleich zu p+p Daten unter Berücksichtigung von anisotropem Fluss

  • 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

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

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen


Strahlzeiten am rhic im jahr 2003

Strahlzeiten amRHIC 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 pp

  • Au+Au-Strahlzeit im Herbst

Weitere interessante Messungen in naher Zukunft ...

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