Tökéletes folyadék a RHIC-nél

1. Tökéletes folyadék a RHIC-nél Kontextus A RHIC Tézispontok Eredmények Összefoglalás Csanád Máté ELTE TTK Atomfizikai Tanszék Témavezető: Kiss Ádám Szakmai vezető: Csörgő Tamás PhD védés

2. A Nagy Bumm • Az anyag felépítése: • Molekulák, atomok • Elektronok, protonok, neutronok • Kvarkok, gluonok • Korai univerzum: forró, táguló rendszer • Kvark-gluon anyag • Hűlés → kifagyás • Ma: ‘fagyott anyag’ • Fagyott világ hasonlata

3. Nehézion-ütközések: Kis Bumm • Nukleon-olvasztás • Kvarkok bezárása ill. kiszabadítása • Hasonlat: jégből víz vagy gőz • Szárazjég? Vízjég? • Nagy energiájú ütközéssel mindez elérhető (?) • Nehézionok ütközése: forró, táguló rendszer • Elég forró? Régi-új anyag?

4. Elindított fejlesztési programok: Relativistic Heavy Ion Collider • RHIC: Relativisztikus nehézion ütköztető • Két koncentrikus gyűrű, metszéspontokon ütközések • Nyaláb: p, d, Cu, Au; Tömegközépponti energia: 20-500 GeV/nukleon • 4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS (Veres Gábor), STAR • Magyar intézményi részvétel a PHENIX-ben: • KFKI: Csörgő T., Hidas P., Nagy M., Ster A., Sziklai J.,Vértesi R., Zimányi J. • ELTE: Kiss Á., Csanád M., Deák F. • DE: Tarján P., Imrek J., Veszprémi V. • BNL: Dávid Gábor

5. A RHIC működéséről

6. PHENIX • Fotonok, elektronok, müonok, hadronok azonosítása • A reakció összes szakaszának vizsgálata • Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik • Hadronok: kifagyáskori állapot

7. A PHENIX együttműködés

8. A részecskesugarak elnyelődése • Ellentétes irányú részecskesugár-keletkezés • Kifelé menő nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése:  sűrű, erősen kölcsönható anyag! • Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő elnyelés közegben

9. Az elliptikus folyás • Elliptikus folyás (v2): kollektív mozgás • Ritka gáz esetében v2 nulla • Hidrodinamikai viselkedés: v2 > 0 M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. nucl-th/0512078

10. Tökéletes folyadék? • Tökéletes ≠ ideális! • Tökéletes: elhanyagolható viszkozitás és hővezetés • Ideális: összenyomhatatlan • Viszkozitásh: nyíróellenállás mértéke • Becslés: • Alacsony viszkozitásNagy hatásk.m. Erős csatolás • Lényeges mérőszám: kinematikai viszkozitás • AdS/CFT megfeleltetés: • hep-th/9711200, gr-qc/0602037, hep-th/0405231 • Viszkozitás-mérés: • nucl-ex/0609025, arxiv:0704.3553, nucl-th/0606061, nucl-ex/0611018

11. Kvarkok folyadéka • Az elliptikus folyás hidrodinamikai változóban a kvarkszámmal skáláz! • Szabadsági fokok: kvarkok PHENIX Collaboration, Phys.Rev.Letters 98:162301, 2007

12. Tézisek • A PHENIX ZDC/SMD • Ultra-periferiális ütközések vizsgálata • Parciális koherencia keresése korrelációkkal • Kétrészecske korrelációk erősségének analízise • A forrás Lévy-stabilitásának vizsgálata • Buda-Lund modell ellipszoidálisan szimmetrikus tűzgömbökre • A HBT sugarak rapiditásfüggésének skálázása • Az elliptikus folyás univerzális skálázása a RHIC-nél

13. 1. A Zero Degree Calorimeter • Lepárolgó neutronok detektálása • A ZDC szerepe: centralitás, diagnosztika • Feladat: megfigyelő (‘monitoring’) szoftver írása • SMD: Zápor Maximum Detektor: • Négyzethálós szerkezet • Elhelyezkedés: a ZDC-ben SMD Online Monitoring System for the PHENIX ZDC and SMD PHENIX internal technical note 419 http://www.phenix.bnl.gov/phenix/WWW/publish/csanad/zdc/note/

14. NJ/Ψ= 10 3 (stat) 3 (syst) 2. Mérések a ZDC segítségével • J/Ψ detektálás ultra-periferiális ütközésekben • Hatáskeresztmetszet összehasonlítva az elmélettel Coherent photoproduction of J/Ψ and high-mass e±pairs in ultra-peripheral Au + Au collisions at √sNN= 200 GeV David d’Enterria for the PHENIX Collaboration nucl-ex/0601001

15. 3. Parciális koherencia keresése • A tűzgömb hidrodinamikailag leírható része: fc • A tűzgömb koherens része: pc • Két- és háromrészecske Bose-Einstein korrelációk mérésével meghatározható • T. Csörgő, Heavy Ion Phys. 15, 1 (2002), hep-ph/0001233 • Eredmény: parciális koherencia megengedett, fc> 45%, pc<85% PHENIX PRELIMINARY Measurement and analysis of two- and three-particle correlations M. Csanád et al. [PHENIX Collaboration], Nucl. Phys. A 774, 611 (2006)

16. 4. Királis szimmetria helyreállása • Jóslat: Az h’ tömege sűrű és forró anyagban lecsökken az UA(1) szimmetria helyreállása miatt • Ötlet: l(mt) mérése alacsony impulzusnál Forró és sűrű anyag: h’ tömeg módosul  Növekvő h’ keletkezés Bomlás: h’h+p+ +p-(p0+p++p−)+p++p− Hosszú élletartammal A p-k átlagos pt-je: 138 MeV  Több nem-kölcsönható p 138 MeV-nél l(mt) a kölcsönható p-k arányát méri  Lyuk a l(mt) függvényben M. Csanád for the PHENIX Collaboration, nucl-ex/0509042 PHENIX PRELIMINARY Measurement and analysis of two- and three-particle correlations M. Csanád et al. [PHENIX Collaboration], Nucl. Phys. A 774, 611 (2006)

17. 5. A forrás Lévy-stabilitása • Másodrendű fázisátalakulások: kritikus exponens • A rendparaméter térbeli eloszlása esetén: h • Lévy eloszlás: anomális diffúzió! M. Csanád, T. Csörgő and M. Nagy, Braz.J.Phys.37:1002-1013,2007. • Megegyezik a kétrészecske korrelációs függvények Lévy-stabilitási indexével (a–val) • Azaz h=a, Csörgő et. al., nucl-th/0512060 • A QCD univerzalitási osztálya = 3d Ising modeleké • Itt h = 0.03±0.01, de realisztikusabb random field Ising modelekben: h = 0.50±0.05 (Wilczek és Rajagopal, hep-ph/9210253) • PHENIX Au+Au adatok: a=1.4±0.1 • Másodrendű fázisátalakulás kizárva (preliminarily) nucl-ex/0509042

18. 6. A Buda-Lund modell • Skálajóslatok teljesülése: termalizáció, hidrodinamikai viselkedés, Hubble-tágulás • Sikeres analitikus hidro modellek • Kiterjesztés ellipszoidális szimmetriára • Kifagyás ↔ részecskekeltés ↔ Boltzmann-egyenlet • Megfigyelhető mennyiségek számolása: • Egyrészecske-spektrumok: N1(p) • Elliptikus folyás: v2(η,pt) • HBT sugarak: R(η,pt,φ) Buda-Lund hydro model for ellipsoidally symmetricfireballs and the elliptic flow at RHIC M. Csanád, T. Csörgő and B. Lörstad, Nucl. Phys. A 742, 80 (2004)

19. 7. A HBT sugarak skálázása • Hanbury Brown és Twiss (HBT): kétrészecske korrelációs sugarak ↔ forrás mérete • Hidrodinamikai modellből számolható • Kollektív, termális viselkedés → információvesztés, skálázás • Hubble törvény vagy akár Newton: • HBT sugarak: skálaváltozó megjelenése Universal scaling of the rapidity dependent elliptic flow and the perfect fluid at RHIC M. Csanád, T. Csörgő and B. Lörstad and A. Ster, Nucl. Phys. A 774, 535 (2006)

20. 8. Az elliptikus folyás skálázása • Buda-Lund hidrodinamika: skálajóslat (2003) • PHENIX (2005), PHOBOS (2006) és STAR (2005) adatok igazolják ezt Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster, Nucl. Phys. A742:80-94,2004 Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster et al. nucl-th/0512078

21. Kísérleti tapasztalatok összegzése • Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag • Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék • Sikeres számítások tökéletes folyadékkal • Hasonlat (Bill Zajc, Scientific American): • Egyszerre kiszabaduló sok rab • Kis térrész, „tolongás”, gyakori kölcsönhatások, termalizáció, folyadék-viselkedés! • Kvarkok tökéletes folyadéka • Elhanyagolható viszkozitás és hővezetés • Szabadsági fokok: kvarkok

22. PHENIX publikációk • Hozzájárulás: adafelvétel, ZDC működtetése • Absence of suppression in particle production at large transverse momentum in 200 GeV d + Au collisions. {PRL91:072303,2003} (270) • Double helicity asymmetry in inclusive mid-rapidity π0 production for polarized p + p collisions at 200 GeV {PRL93:202002,2004} (41) • Jet structure of baryon excess in Au + Au collisions at 200 GeV. {PRC71:051902,2005} (54) • Formation of dense partonic matter in relativistic nucleus-nucleus collisions at RHIC. {NPA757:184-283,2005} (385) • Saturation of azimuthal anisotropy in Au + Au collisions at 62 GeV to 200 GeV. {PRL94:232302,2005} (30) • Nuclear modification factors for hadrons at forward and backward rapidities in deuteron-gold collisions at 200 GeV. {PRL94:082302,2005} (31) • J/Ψ production and nuclear effects for d+Au and p+p collisions at 200 GeV. {PRL96:012304,2006} (62) • Jet structure from dihadron correlations in d+Au collisions at 200 GeV. {PRC73:054903,2006} (18) • Improved measurement of double helicity asymmetry in inclusive midrapidity π0 production for polarized p+p … {PRD73:091102,2006} (10) • Nuclear effects on hadron production in d = Au and p + p collisions at 200 GeV. {PRC74:024904,2006} (20) • Jet properties from dihadron correlations in p+p collisions at 200 GeV. {PRD74:072002,2006} (26) • Measurement of direct photon production in p + p collisions at 200 GeV. {PRL98:012002,2007} (14) • Elliptic flow for phi mesons and (anti)deuterons in Au + Au collisions at 200 GeV. {PRL99:052301,2007} (6) • Production of omega mesons at Large Transverse Momenta in p + p and d + Au Collisions at 200 GeV. {PRC75:051902,2007} (2) • J/Ψ Production vs Centrality, Transverse Momentum, and Rapidity in Au+Au Collisions at 200 GeV. {PRL98:232301,2007} (32) • System Size and Energy Dependence of Jet-Induced Hadron Pair Correlation Shapes in Cu+Cu and Au+Au … {PRL98:232302,2007} (14) • Energy Loss and Flow of Heavy Quarks in Au+Au Collisions at 200 GeV. {PRL98:172301,2007} (39) • Correlated Production of p and anti-p in Au+Au Collisions at 200 GeV. {Phys.Lett.B649:359-369,2007} (5) • J/Ψ production versus transverse momentum and rapidity in p+p collisions at 200 GeV. {PRL98:232002,2007} (8) • Centrality dependence of pi0 and eta production at large transverse momentum in 200 GeV d+Au collisions. {PRL98:172302,2007} (10) • Measurement of high-p(T) single electrons from heavy-flavor decays in p+p collisions at 200 GeV. {PRL97:252002,2006} (26) • Azimuthal angle correlations for rapidity separated hadron pairs in d + Au Collisions at 200 GeV. {PRL96:222301,2006} (11) • Részvétel az analízisben és a cikk megírásában, PPG, IRC tagság • Evidence for a long-range component in the pion emission source in Au + Au collisions at 200 GeV. {PRL98:132301,2007} (7) • Scaling properties of azimuthal anisotropy in Au+Au and Cu+Cu collisions at 200 GeV {PRL98:162301,2007} (33) • Coherent photoproduction of J/Ψ and high-mass e+ e- pairs in ultra-peripheral Au+Au collisions at 200 GeV {nucl-ex/0601001} (11) (+2 folyamatban) • Saját PHENIX-es cikk • Measurement and analysis of two- and three-particle correlations. {NPA774:611-614,2006} (4) • Systematics of identified hadron spectra at PHENIX. {nucl-ex/0505001} (3)

23. Elméleti publikációk • Buda-Lund hidrodinamikai modell • Buda-Lund hydro model for ellipsoidally symmetric fireballs and the elliptic flow at RHIC. {NPA742:80-94,2004} (30) • An indication for deconfinement in Au+Au collisions at RHIC. {APP B35:191,2004} (12) • Buda-Lund hydro model and the elliptic flow at RHIC. {Nukl49,S45,2004} (2) • A Hint at quark deconfinement in 200 GeV Au+Au data at RHIC. {Nukl49,S49,2004} (8) • Indication of quark deconfinement and evidence for a Hubble flow in 130 GeV and 200 GeV … {JPG30:S2079,2004} (20) • Universal scaling of the rapidity dependent elliptic flow and the perfect fluid at RHIC. {NPA774:535,2006} (4) • Understanding the rapidity dependence of the elliptic flow and the HBT radii at RHIC. {AIP828:479,2006} (5) • Universal scaling of the elliptic flow and the perfect hydro picture at RHIC. {nucl-th/0512078} (9) • Universal scaling of the elliptic flow at RHIC. {WWND22,nucl-th/0605044} (5) • Analysis of identified particle yields and Bose-Einstein (HBT) correlations in p + p collisions … {APH:A24,139,2005} (5) • Gyorsuló, relativisztikus hidrodinamikai megoldás • A New family of simple solutions of perfect fluid hydrodynamics. {nucl-th/0605070} (7) • Accelerating Solutions of Perfect Fluid Hydrodynamics for Initial Energy Density … {Braz.J.Phys.37:723,2007}(2) • Detailed description of accelerating, simple solutions of relativistic perfect fluid hydrodynamics. {arXiv:0709.3677} (1) • Similar final states from different initial states using new exact solutions of relativistic hydro… {arXiv:0710.0327} (0) • Egyéb • Anomalous diffusion of pions at RHIC. {Braz.J.Phys.37:1002,2007} (2) • From Quark Gluon Plasma to a Perfect Fluid of Quarks and Beyond. {Erice07, nucl-th/0702045} (0) • Can the neutron-capture cross sections be measured with Coulomb dissociation? {EPJA27:1217,2006} (0) • Összesítés • PHENIX publikációk: 36db, idézettség: 1189, ebből független: 995 (komolyabb részvétel 5 publikációban) • Elméleti publikációk: 17db, idézettség: 114, ebből független: 77

24. Köszönetnyilvánítás Köszönöm az irányítást, támogatást, megértést és mindenfajta segítséget • Csörgő Tamás és Kiss Ádám témavezetőimnek • Horváth Ákos TDK témavezetőmnek • Az Atomfizikai Tanszéknek • Tanáraimnak • A PHENIX kísérlet és a PHENIX-Magyarország tagjainak • Szüleimnek és nagyszüleimnek • És mindenkinek …

25. Gáz Folyadék Milyen anyagot látunk tehát? NEM IGEN

26. Jövő, célok • A kvarkanyag természetének feltérképezése • Új adatok analízise • Új elméleti jóslatok tesztelése • Nagyobb luminozitás (RHIC II) • Felfedező utak a QCD fázisdiagramján • Nagyobb energiák vizsgálata • A kritikus pont keresése (alacsonyabb energiák) • Új ütköztető rendszerek vizsgálata (e-RHIC) • Kolumbusz éppen megérkezett az Új Világba

27. 1. mérföldkő: új jelenség • Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján • Az első nagy tudományos elismerés, analízis vezetője: Dávid Gábor (KFKI és Ster András is fent a cikken)

28. 2. mérföldkő: új anyagfajta • d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség • Nem az Au mag szerkezetmódosulása • Au+Au: új anyag • PHENIX-Magyarország: ELTE, DE, KFKI, 10 szerző

29. Top Story 2005 Az Amerikai Fizikai Intézet szerint 2005 legfontosabb eseménye a kvarkfolyadék felfedezése

30. Viszkozitás mérések • Alsó határ: • hep-th/9711200, gr-qc/0602037, hep-th/0405231 • Eredmények • R. Lacey et al.,nucl-ex/0609025 • H.-J. Drescher et al.,arx:0704.3553 • S. Gavin, M. Abdel-Aziz,nucl-th/0606061 • A. Adare et al., nucl-ex/0611018

31. Nukleáris modifikáció (PHENIX) • Ellentétes függés az ütközés frontálisságától • d+Au: Cronin-effektus (részecskék újraszóródnak  növekmény) • Au+Au: Új jelenség: elnyelődnek a nagyenergiás részecskék (jetek) • Keletkező új anyag: részecskesugarak elnyelése (jet quenching)

32. A közeg hatása a jetekre • Mach kúpok? • A sugárzás gyorsabban megy, mint a hangsebesség • Gluon sugárzással ad le energiát • QCD “hangrobbanás” (?) • Erősen csatolt, sűrű folyadékban számítunk erre

33. A rendparaméter térbeli eloszlása • Lévy exponens analízise

34. Skálázási előrejelzések • Kollektív, termális viselkedés → Információvesztés, skálázás • Mit jelent ez? • Hubble törvény vagy akár Newton • Cannot predict acceleration or height • Transzverz spektrumok: • Elliptikus folyás: • Korrelációs sugarak:

35. Kaon HBT jóslat • Transzverz tömeg skálázás → ha mt-ben ábrázoljuk, ugyanaz a görbe minden részecskére K

36. Néhány további részlet • Mach-kúpok észlelése • d, Φ és D részecskék is „folynak” • Semleges pionok elnyomva, fotonok nem • Királis dinamika: ρ és η’ tömegmódosulás • Cross-over fázisátmenet helyett PHENIX együttműködés, különböző cikkek

37. Rövid áttekintés • Sokmódusú gyorsító • 22 GeV (Au, Cu, p) • 56 GeV (Au) • 62 GeV (Au,Cu, p) • 130 GeV (Au) • 200 GeV (Au, Cu, d, p) • 410 GeV (p) • 500 GeV (p) • Tudomány • >160 referált cikk, több mint 90 a Phys. Rev. Lettersben • Jelentősfelfedezések • A jövő: e-RHIC és RHIC II • Azonosított kulcskérdések • A gyorsító és a kísérletek továbbfejlesztése biztosítva

38. LHC ZDC neutronspektrum