А.Б.Курепин – ИЯИ РАН

1. Исследования по релятивистской ядерной физике А.Б.Курепин – ИЯИ РАН Марковские чтения, ИЯИ РАН, 13.05.11

2. 1. Возникновение релятивистской ядерной физики. 2. Значение работ М.А.Маркова по философским проблемам физики для современных представлений о познаваемости микромира 3. Этапы развития работ по релятивистской ядерной физике 4. Современные эксперименты по исследованию ядро-ядерных столкновений при высоких энергиях. 5. Перспективы дальнейших исследований. Марковские чтения, ИЯИ РАН, 13.05.11

4. На созданной сотрудниками Института ядерных исследований РАН многоцелевой установке КАСПИЙ на пучке синхрофазотрона ОИЯИ в конце 80-х – начале 90-х годов выполнены пионерские исследования рождения положительных и отрицательных пионов и каонов и впервые в мире измерения рождения антипротонов при столкновении релятивистских ядер углерода с ядерными мишенями. Обнаружено усиление выхода странных частиц и большое, почти на два порядка, превышение отношения выхода антипротонов к пионам по сравнению с протон ядерным взаимодействием. Для объяснения этого эффекта разработана модель ядерного скейлинга. 40-лет ИЯИ РАН

5. М.А.Марков о познаваемости микромира 1.Для толкований всех измерений в собственном смысле необходимо пользоваться классическими представлениями, несмотря на то что классическая теория не может сама по себе объяснить тех новых закономерностей, с которыми мы имеем дело в атомной физике. 2.Как бы далеко ни выходили явления за рамки классического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Н.Бор, Избранные труды, Т. 2, 1971. Изучение различных ( всех ) проекций свойств данного микрообъекта на макромир дает исчерпывающее представление о данной объективной реальности на языке макроскопических понятий ( на языке наблюдаемых классической макроскопической физики ) М.А.Марков, Т. 1 стр. 461

6. По общему мнению, начальная стадия Вселенной имеет существенно квантовый характер. При переводе квантового характера микроявлений в эту эпоху на макроскопический язык необходимо взаимодействие начальной стадии Вселенной с макроприбором наблюдателя. Но, спрашивается, существует ли такая даже мыслимая возможность? Макроприбор – это в конечном счете значит и существование наблюдателя. М.А.Марков, Т. 1 стр. 496

8. Эксперимент 1. Направленный и эллиптический поток частиц 2. Эффект сжатия ( подавления ) рождения струй при больших поперечных импульсах. 3. Усиление рождения странных частиц. 4. Цветовое экранирование. Подавление рождения чармония. 5. Прямые фотоны

9. Теория Фазовых Переходов в ядерной материи 1. Фазовая диаграмма. Переходы 1-го и 2-го рода. Критическая точка. Деконфайнмент. Кварк-Глюонная плазма. Цветовая сверхпроводимость. 2. Уравнение состояния. Расчеты на решетке 3. Флюктуации. 4. Перколяция. Образование кластеров. 5. Восстановление киральной симметрии. 6. Сильно связанная Кварк-Глюонная плазма. Плотная жидкая фаза. Идеальная жидкость. Цветной конденсат. 7. Смешанная фаза.

10. Study the onset of deconfinement AGS SPSRHIC Onset of Deconfinement: early stage hits transition line, observed signals: kink, horn, step Kink T Horn hadron production properties energy Step µB collision energy

11. Strangeness enhancement by WA 97 and NA57 at 158 GeV/c

12. J/ suppression, “standard” analysis • 3 centrality bins, defined through EZDC • J/ nuclear absorption  J/abs = 4.18  0.35 mb (from NA50 @ 450 GeV) • ~ 8% uncertainty on the rescaling to 158 GeV Anomalous J/ suppression is present in In-In collisions A finer centrality binning is needed to sharpen the picture

13. RAA vs Npart: PHENIX and NA50 • NA50 data normalized to NA50 p+p point. • Suppression level is similar in the two experiments, although the collision energy is 10 times higher (200GeV in PHENIX wrt 17GeV in NA50)

14. Comparison to theory (II) Models that were successful in describing SPS data fail to describe data at RHIC - too much suppression -

17. HADES - High Acceptance DiElectron Spectrometer Side View START 1 m • Beams: • p (LH2) , C, Ar -production runs • - with I=0.8*106/spill and 4*1010 N2/spil (<5 than needed for physics run of S262) • Beam detectors : • Diamond detectors (START& VETO) for HI • Scintillating fibers for p,d, beams • Forward Hodoscope (0-80) - INR • RICH • Full azimuth coverage, • Detector figure of merit N0=79 • Carbon mirrors (2 need to be installed)-0.5%X0 • Image Processing • Tracking system • 3 MDC layers complete, 4 MDCIV • remaining 2 ready at end 2005. • Internal resolution  100 m  anticipated mass mass resolution: Me+e/M1.5% at / region- • META • TOF, TOFINO -INR, Pre-Shower –full coverage • Image Processing • Low granularity TOFINO->RPC upgrade p, , A

18. Partial restoration of chiral symmetry (vs. T,ρ) Additional self-energy terms due to meson-baryon coupling SPS g,p-,p - beams RHIC LHC SIS 18 SIS 200 T [MeV] 300 W. Weise et al. Physics programme(II): AA collisions • in medium vector meson properties- spectral functions AV(Me+e- ,p) – double differential distributions, centrality dependence • Dielectron excess observed by DLS in Ca+Ca @ 1AGeV. • Mass dependence mT scaling for @2AGeV gives only 0.7 e+e-(Ap*AT)1.06-DLS • What are the relevant observables as nuclear density and/or temperature increase? • quark picture vs. hadronic picture?

19. The ALICE experiment ATLAS A-side CMS C-side

20. ALICET0 satellite charge measurements in the November Pb-Pb BEAM 1 time Beam-gas B2 374 cm 70 cm BEAM 2 Beam-gas B1 Z C-side A-side Sum gives event time, difference gives event positiontC – tA ~ 2 z/c September 22, 2014

21. ALICE results with PbPb • Final Results • Nchmultiplicity • Rapidty densityPRL: Vol. 105 (2010) 252301 • Centrality dependencePRL: Vol. 106 (2011) 032301 • FLOW of charged particledPRL: Vol. 105 (2010) 252302 • together with ATLAS di-jet paper, got PRL “Viewpoint”, first for LHC • Suppression of high-pT(RAA)PLB: Vol. 696 (2011) 30 • Bose-Einstein correlations PLB: Vol. 696 (2011) 328 • Advanced Drafts • Identified particles: Baryon/meson ratio • Flow with identified particles: • Ongoing analyses (a few out of very many => aiming to submit about 40 papers to QM Conference in May) • J/y -> mm, e+e- • Event structure from autocorrelations • Azimuthal Correlations of high-pT particles • Identified particles: strangeness, resonances … • p0spectra • Heavy flavour: charm (D0,D+, D*), heavy quarks (c,b) -> m, e-

22. Energy density from dNch/dη dNch/dη = 1599 ± 4 (stat.) ± 80 (syst.) constrains / rules out models 100 times cold nuclear matter density ~3 times the density reached at RHIC (ε ≈ 15 GeV/fm3) Characteristics of Central Pb+Pb Collisions at 2.76 TeV • Volume and lifetime from HBT interferometry • Freeze-out volume ~ 300 fm3 • ~ 2 times the volume measured at RHIC (AuAu@200 GeV) • Lifetime until freeze-out ~ 10 fm/c Volume Lifetime

23. Particle production in Pb-Pb:Azimuthal anisotropy z z y y x x py Reaction plane Reaction plane px INTERACTIONS ( hydrodynamics? ) Final momentum anisotropy Reaction plane defined by “soft” (low pT) particles Initial spatial anisotropy Elliptic flow

24. Measure Properties of the Medium Created in Pb+Pb Collisions Most extreme state of matter ever created in the lab … PRL 105, 252302 (2010) [36 citations] STAR at RHIC • Collective behavior observed in Pb-Pb collisions at LHC (+0.3 v2RHIC) • v2(pT) similar to RHIC – almost ideal fluid at LHC ? • 2. New input to the energy dependence of collective flow • 3. Additional constraints on Eq-Of-State and transport properties

25. Jet quenching via hadron suppression #(particles observed in AA collision per N-N (binary) collision) #(particles observed per p-p collision) Ratio = Phys. Lett. B 696 (2011) [22 citations] Cross-section 1 Central collisions RAA suppression • Strong depletion of high-pT hadrons in A-A collisions • – parton energy loss (jet quenching) • 2. Qualitatively new feature : evolution of RAA as a function of pT • 3. New, much anticipated constraint for parton energy-loss models

26. Di-hadron Correlations in PbPb Two-particle correlations - conditional [per-trigger] yields Leading particle and Azimuthal Correlation ~ 180 deg • At Low-pT : • Ridge • Hydrodynamics, flow • At High-pT : • Quenching/suppression, broadening • Powerful instrument to study system characteristics, including Jet Quenching (recoil jet suppression)

27. Muon spectrometer alignment No and 1st alignment 2nd alignment To be compared with expected performance with perfect alignment of 70 MeV σJ/Ψ = (75 ± 3)MeV/c2

28. Quarkonia: suppression or regeneration? Heavy quarks in Pb-Pb • Charm via D mesons, beauty via leptons (e, m): •  colour charge and mass dependence of energy loss J/ymm at forward rapidity, starting from pt~0 D0Kp, D+Kppvia secondary vertex reconstruction central Pb-Pb! minimum bias Pb-Pb Expect ~2000 J/y from full 2010 statistics

29. Anti Nuclei: Anti-Alpha candidates in Pb-Pb Time of flight (sensitive to m/z-ratio): ALICE performance Three candidates confirmed by TOF analysis ALICE performance

30. Detector Performance in Pb-Pb PID TOF-> TOFdet +T0det T0 det resolution ~35 ps !

31. ‘Single Events’ Study the individual event Access properties characteristic of critical phenomena Events

32. Energy spectra of the neutron calorimeter in proton and Pb runs 1n ADC spectrum for 30 GeV protons 2n 3n

33. pure EM part ~ Z2target s/Z2target~ const Phys.Rev. C71(2005)024905 New data:forward neutron emission measurements for 30 A GeV Pb ions @ CERN SPS

34. Latest data:forward neutron emission measurements for 158 A GeV In ions @ CERN SPS 1n 2n 3n 4n

35. Модель RELDIS: Relativistic ELectromagnetic DISsociation • RELDIS опирается на модель фотоядерных реакций (ИЯИ, 1995-2008, А.С.Ильинов, И.А.Пшеничнов) • Поглощение фотонов ядрами – многостадийный процесс: • поглощение фотона на внутриядерном нуклоне или на квазидейтонной паре (учитывается свыше 100 каналов при энергиях фотонов несколько ГэВ) • внутриядерный каскад образовавшихся адронов • статистический распад возбужденного остаточного ядра – модель SMM: конкуренция испарения нуклонов и кластеров - деление - мультифрагментация

36. Single and mutual EMD with ZDC ZDC signal: Single EMD + Mutual EMD + Nuclear effects Mutual EMD event selection: ZNC && ZNA + ZDC time selection + (ZEM1<10 || ZEM2<10) estimated from simulations to reject nuclear events Data: 1n peak resolution consistent with RELDIS calculation Ratios: 1n/2n; 1n/3n; 2n/3n are under investigation 1n 1380 GeV 2n SINGLE EMD MUTUAL EMD

38. CASTOR DESIGN

39. Физическая программа установки CASTOR 1.Поиск событий типа «Кентавр» • аномальное увеличение выхода адронов по сравнению с электромагнитной компонентой • большие поперечные импульсы по сравнению с « «нормальными» событиями - обнаружение проникающей компоненты с аномальным пробегом 2.Исследование явления выстроенности 3.Получение данных для проверки и калибровки Монте-Карло программ, используемых для интерпретации КЛ сверхвысоких энергий ( также LHCf и ACORDE-ALICE ) 4.Физика при больших быстротах: • КХД при малых х до 10**-6 10**-7 • Дифракционные процессы • Поиск КГП

40. NA61/SHINE experiment • NA61/SHINE physics program: • Critical Point and • Onset of Deconfinement, • Neutrino physics, • Cosmic-ray physics 40 GDR 2010, 30th April, Paris

41. Detector TOF ~60 ps Large acceptance: ≈50% Particle identification: Combined energy loss and Time of Flight measurements High momentum resolution <1% High detector efficiency: > 95% Event rate: 70 events/sec 41

42. Status and plans for ion collisions at SPS energies 2015 2014 2010/11/12 2009/10/11 2013/14

43. Role of the PSD in NA61 NA61 - Measurement of centrality: b~ A - Nspect (selection of centrality at trigger level) - Measurement of event-by-event fluctuations (to exclude the fluctuation of participants) - Reconstruction of the reaction plane • Main features of the PSD • high granularity: • transverse homogeneity of energy resolution, • reaction plane measurements ? • compensated calorimeter (e/h = 1), lead/scintillator sampling ratio 4:1 • high energy resolution ~55%/sqrt(E) • longitudinal segmentation (10 sections per module) • PID, background rejection, improvement of energy resolution • light readout from each sections by novel MAPDs • to provide large dynamic range, • to exclude nuclear counting effect 120 cm 120 cm 48 modules: 16 central (small), 28 outer (large) modules.

44. The future Facility for Antiproton an Ion Research (FAIR) SIS 100 Tm SIS 300 Tm U: 35 AGeV p: 90 GeV Cooled antiproton beam: Hadron Spectroscopy Ion and Laser Induced Plasmas: High Energy Density in Matter Structure of Nuclei far from Stability Compressed Baryonic Matter

45. “MUON” set-up “electron” set-up

46. CBM experimental challenges (example: min. bias Au+Au collisions at 25 GeV) SPS Pb+Pb 30 A GeV Driving CBM experimental requirements in precision and rates

47. Feasibility of J/psi studies in dielectrons decay mode by CBM detector :invariant mass spectra J/psi + combinatorial background for SIS300 and SIS100

48. Feasibility studies Event generators: URQMD, PLUTO Transport: GEANT3,4 via VMC  Radiation hard Silicon pixel/strip detectorsin a magnetic dipole field  Electron detectors: RICH & TRD & ECAL: pion suppression up to 105  Hadron identification: RPC, RICH  Measurement of photons, π0, η, and muons: electromagn. calorimeter (ECAL)

49. Invariant mass spectra J/ψ + combinatorial background for different pions, kaons and protons suppression factor Suppression S/B in 3σ Beam energy7AGeV 9AGeV protons 10000 0.55 1.5 π & k 1000 protons 10000 2.0 8 π & k 10000 protons 50000 3.7 12 π & k 10000 J/ψ efficiency 55%55% Superevent technique was used for invariant mass of background, so 196 J/ψ were added to corresponding 40960000 (6400x6400) events √s =9AGeV Alla Maevskaya INR RAS NICA Roundtable Workshop 11 September 2009

50. Заключение 1. Для решения проблемы фазового перехода ядер в кварк-глюонную материю необходимы новые экспериментальные данные в широком интервале энергий и для различных сталкивающихся ядер. 2. Необходимо детальное исследование механизма взаимодействия ядер на различных стадиях процесса.