Tökéletes folyadék a RHIC gyorsítónál

1. Tökéletes folyadék a RHIC gyorsítónál Csanád Máté (PhD hallgató, ELTE) Témavezetők: Csörgő Tamás (KFKI RMKI), Roy Lacey (Stony Brook) és Kiss Ádám (ELTE) TDK hétvége Horpács 2006. november 11.

2. „Új természeti törvények felfedezéséről” „Általában az alábbi módon keressük az új természeti törvényeket. Első lépésben felteszünk egy elméletet. Aztán megvizsgáljuk a feltételezésünk következményeit, hogy lássuk, mit jelentene, ha az elméletünk igaz lenne. Majd a számítások eredményeit összehasonlítjuk a Természettel, közvetlenül a megfigyelésekkel, kísérlet vagy tapasztalat által, hogy lássuk, működik-e. Ha ellentmond a kísérleteknek, akkor hibás az elméletünk. Ebben az egyszerű állításban van a tudomány kulcsa. Nem számít, milyen szép az elméletünk, nem számít, milyen okosak vagyunk, hogy ki találta ki az elméletet, hogy őt hogy hívják —ha ellentmond a kísérleteknek, akkor hibás.” /R.P. Feynman/

3. fermionok kölcsönh. bozonok u up c charm t top g gluon kvarkok erős d down s strange b bottom g photon elektro-mágneses gyenge ne electron neutrino nm muon neutrino nt tau neutrino Z Z boson leptonok W W boson e electron m muon t tau A részecskék Standard Modellje • Elektron elemi részecske • Proton, neutron, hadronok nem azok  kvarkok • Három kölcsönhatás, közvetítő bozonok • Erős, gyenge, elektromágneses töltés • Erős töltés: szín  QCD: kvantum-szín-dinamika

4. Mit, miért és hogyan? • Elméleti igény: QCD fázisszerkezete, az ősrobbanáshoz hasonló körülmények vizsgálata • A 2004-es fizikai Nobel-díj: QCD aszimptotikusan szabad  nagy hőmérsékleten gáz plazma, kvarkok és gluonok? • Az elérhető legnagyobb hőmérséklet: nehézion ütközések! • Kísérlet: nehézionok ütköztetése • Kísérlet építése: óriási pénzügyi elkötelezettség (1Mrd USD főleg USA és Japán, de az egész világ vezető országai) • BNL (USA): 2000-től, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) • CERN (Európa): 2007-től, Large Hadron Collider (LHC)

5. Tc A QCD fázisdiagramja • Új halmazállapot(ok?) • Hadronok (kvark-részecsék)  QCD plazma? • Elméleti számítások: Tc=176±3MeV (~2 terakelvin) (hep-ph/0511166)

6. A Nagy Bumm • Korai univerzum: forró, táguló rendszer • Kvarkanyag, kvark-gluon plazma • Protonok, neutronok kifagyása

7. 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?

8. Kutatási helyszínek: CERN • SPS (Super Proton Syncrotron) • h+p, p+p, p+Pb, Pb+Pb ütközések • 7+ kísérleti együttműködés: NA44, NA45, NA49, NA50, NA52, NA57, NA60, WA98 • KFKI-ELTE részvétel az NA49 kísérletben • LHC (Large Hadron Collider) • 2007: főleg p+p fizika; ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM • 2008: nehézionfizika program is indul; ALICE, CMS,...

9. Kutatási helyszínek: BNL • RHIC (relativistic heavy ion collider) • Au+Au, Cu+Cu,pp+pp,d+Auütközések • 4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STAR • Hasonlat: Columbus kora • Magyar részvétel a PHENIX-ben: • KFKI: Csörgő T., Hidas P., Ster A., Sziklai J., Zimányi J., • ELTE: Kiss Á., Csanád M., Deák F. • DE: Dávid G., Tarján P., Imrek J., Vértesi R., Veszprémi V.

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

11. A PHENIX csoport

12. 1. mérföldkő: új jelenség • Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján • Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerzővel: Ster András

13. 2. mérföldkő: új anyagfajta • d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség • Nem az Au mag szerkezetmódosulása • Au+Au: új anyag • PHENIX-Magyarország együttműködés: 10 magyar a PHENIX szerzői listán

14. Top Story 2005 Amerikai Fizikai Intézet: 2005 lefontosabb eseménye! PHENIX: 3x AIP Top Physics Story RHIC első éveit összegző cikkek: Top Physics Story #1 2005 http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0410003, 153 hivatkozás (2006. május 10.)

15. A részecskesugarak elnyelődése elnyelés közegben Új anyag? Referenciamérés kell! Kapcsoljuk ki a közeget  d+Au ütközések A „kifutó” részecskesugár nem nyelődik el A „befutó” sugár elnyelődik

16. Elliptikus folyás (v2) • Impulzus-eloszlás gömbszimmetrikus? • Eltérés: v2 • Ritka gáz esetében v2 nulla • Hidrodinamikai viselkedés: v2 > 0 M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. http://arXiv.org/abs/nucl-th/0512078

17. Hidrodinamikai modellezés • Hidrodinamika: differenciálegyenlet rendszer • Hőmérséklet, sűrűség és sebességmező • lokális anyag-, energia-, és impulzus-megmaradás (esetleg disszipáció/súrlódás/viszkozitás) • Megoldások kereshetőek • A megoldásokból megfigyelhető mennyiségek (impulzus-eloszlás, stb) számolhatóak: siker!

18. Tapasztalatok összegzése • Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag • Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék • Hidrodinamikai kép sikere • Sikertelen számítások viszkózus modellekkel • Siker elhanyagolható viszkozitás mellett • Hasonlat • Egyszerre kiszabaduló sok rab • Kis térrész, „tolongás”, gyakori kölcsönhatások, termalizáció, folyadék-viselkedés! • A tökéletes meglepetés: a felfedezett új anyag tökéletes folyadék (nincs viszkozitása és hővezetése)

19. Újabb várható mérföldkövek • Az új anyag mélyebb ismerete komoly kísérleti kihívás, de belátható közelségben: • Mik hordozzák a szabadsági fokokat? • Kvarkok és gluonok közegbeli tulajdonságai? • Állapotegyenlet? • Fázisátmenet rendje? • Új adatokra, a megértés mélyebb és szélesebb szintjére van szükség (Run-5, Run-6, …) • Érdekességek, továbbfejlesztések: • Honnan ered a proton spinje?Spin fizika a RHIC–nél • Magasabb luminozitás: RHIC II • A QCD újabbfázisainak vizsgálata: eRHIC (e+p) • CGC: Színes (gluon)üveg kondenzátum

20. Konklúzió • Tökéletes folyadék halmazállapot létrehozása a RHIC Au+Au ütközésekben • PHENIX mostantól igazán produktív • PHENIX (RHIC) még min. 10 évig meghatározó • 2008-tól LHC Pb+Pb, 2009-től jönnek eredmények • A felfedezések korának kapuja kitárult a magyar diákok és kutatók számára is!

21. PHENIX összefoglaló, Kvarkanyag ‘05 Visszautasíthatatlan ajánlat!! Az új anyag sűrű Az új anyag megolvasztja és újragenerálja a ritka részecskéket Kísérlet és elmélet vállvetve megmérheti is kiszámolhatja az új anyag, új kölcsönhatás tulajdonságait Az új anyag módosítja a nagyenergiás részecskenyalábokat Az új anyag forró Az anyag erősen csatolt

23. Egyéb témák • Magok Coulomb-disszociációja • Elektromos térben széteső atomok • Csillagokban lejátszódó nukleáris reakciók vizsgálata • akos@ludens.elte.hu • QCD fullerének vizsgálata • Geometria, kvantummechanika • „Bonyolult jelenségek egyszerűen” • csorgo@sunserv.kfki.hu • Szonolumineszcencia • akos@ludens.elte.hu

24. Köszönöm a figyelmet Köszönetnyilvánítás: MTA OTKA Amerikai - Magyar Fulbright Alapítvány NATO CLG program

25. „Discovering new laws of Nature” "In general we look for a new law by the following process. First we guess it. Then we compare the consequences of the guess to see what would be implied if this law that we guessed is right. Then we compare the result of the computation to nature, with experiment or experience, compare it directly with observation, to see if it works. If it disagrees with experiment it is wrong. In that simple statement is the key to science. It does not make any difference how beautiful your guess is. It does not make any difference how smart you are, who made the guess, or what his name is — if it disagrees with experiment it is wrong.” /R.P. Feynman/

26. A részecskesugarak elnyelődése • Nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése: jet-quenching  sűrű, erősen kölcsönható (ragacsos) anyag • Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő

27. Szögeloszlások (STAR) • Nagyenergiás részecskesugarak szögkülönbség-eloszlása • Kifutó irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik • Befutó irány: Au+Au-ban elnyelődés, p+p és d+Au-ban nincs • A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon pedestal and flow subtracted

28. Nukleáris modifikáció (PHENIX) • Impulzus-eloszlást mérünk • N db nukleon-nukleon ütközés van átlagosan • Egy nukleon-nukleon ütközésben tudjuk az eloszlást • Mennyire lesz más ezek összegéhez képest, amit mérünk? • 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)

29. Csanád, Csörgő, Ster, nucl-th/0310040, nucl-th/0311102, nucl-th/0403074 Elméleti eredmények (hidro) • Térfogat 1/8 részében 2.3 terakelvin (2 terakelvin felett olvadás) • Kezdeti szakaszban 5 terakelvin • Ezen a hőmérsékleten nem gáz, hanem folyadék! v2 spectra v2 spectra

30. Hidrodinamikai kép jelentős sikere • Hanbury-Brown és Twiss: kvantumoptika a forrásméret mérésére  HBT sugarak • Korai jóslat: nagy asszimetria • Buda-Lund hidro: skálaviselkedése, kis asszimetria • Hirtelen hadronizáció jóslata • Több mint 50 modell képtelen volt leírni (utólag!!) • Elsőrendű fázisátalakulás is kizárható Csörgő, Csernai (Phys.Lett.B333:494-499,1994) Csörgő, Lörstad (Phys.Rev.C54:1390-1403,1996)

31. I1/I0 Univerzális skálázás • Buda-Lund hidro: skálafüggvény jóslata (2003) • PHENIX (2005), PHOBOS (2006) és STAR (2005) adatok egybeesnek • Tökéletes folyadékból kapott jóslat TELJESÜL! Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster (Nucl. Phys. A742:80-94,2004) Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster et al. nucl-th/0512078

32. A skálázás sérülése • Hidrodinamikai skálázás sérül  kvark szám skálázás kezdődik • Kvarkok folyadéka! (részletes analízis még hátravan) • R. Lacey, nucl-ex/0510029 és M. Oldenburg, nucl-ex/0510026 Kvarkanyag 2005 világkonferencia Budapesten

33. Relativisztikus hidrodinamika • Hidrodinamikai modellek sikere • Elliptikus folyás • Spektrum-meredekségek és korrelációs hosszak skálázása • Egzakt megoldások egy új csoportja • T. Csörgő, M. I. Nagy, M. Csanád: nucl-th/0605070 • Javítja a Bjorken-megoldást • Véges rapiditás-eloszlás ~ Landau megoldás • Relativisztikus gyorsulás Sebességmező Sűrűség Hőmérséklet

34. Központi sűrűség becslése • A dn/dh eloszlás szélességét a gyorsulás állítja be, ezt pedig a l paraméter • Gyorsulás  hosszanti tágulás • A Bjorken-becslés alulbecsli a kezdeti sűrűséget Általában tf /t0  15

35. Központi sűrűség becslése • BRAHMS dn/dh adatokból: l  2 • Korrekciós faktor: e0/eBj 2.0 – 2.2 • Kezdeti energiasűrűség e0 ~ 10 – 30 GeV/fm3

36. Kísérletek • Gyorsító adatok: körív: 3.8 km cms energia: 19-500 AGeV sebesség: 99.995% c felhasznál: protonok, deutérium, réz és arany atommagok nyalábok: 2 szembemenő nyaláb, mindegyikben ~120 „csomag” luminozitás: 2 x 1026cm-2 s-1 (Au+Au, 106 ns átfedésekkel) előállít: több ezer új részecskét ütközésenként hőmérséklet: trillió K alapanyag: 20 év alatt 1 gramm arany üzemel: 2000-től LHC (CERN) 2007-től körív: 27 km (LEP átalakítva) energia: 14 ATeV (korábban: fix target, SPS: Ecms ~ 17 AGeV Pb+Pb)

37. Sajtóanyagok http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0410003 128 hivatkozás (2006. február 21)

38. Sajtóanyagok

39. PLB505:64-70,2001hep-ph/0012127 Hydro equations + EoS Self-similar solution: Source S(x,p) Phase-space distribution Boltzmann-equation PRC67:034904,2003hep-ph/0108067 PRC54:1390-1403,1996hep-ph/9509213 Observables N1(p), C2(p1,p2), v2(p) How analytic hydro works Scheme works also backwords* *For a certain time-interval

40. cs2 = 2/3 cs2 = 1/3 Sensitivity to the EoS • Different initial conditions, different equation of statebut exactly the same hadronic final state possible. (!!) • This is an exact, analytic result in hydro( !!)

41. Buda-Lund hydro • 3D expansion, symmetry • Local thermal equilibrium • Analytic expressions for the observables (no numerical simulations, but formulas) • Reproduces known exact hydro solutions (nonrelativistic, Hubble, Bjorken limit) • Core-halo picture

42. A useful analogy • Core  Sun • HaloSolar wind • T0,RHIC  T0,SUN  16 million K • Tsurface,RHIC  Tsurface,SUN  6000 K • RG Geometrical size • t0 Radiation lifetime • <bt>  Radial flow of surface (~0) • DhLongitudinal expansion (~0) Fireball at RHICFireball Sun

43. Buda-Lund fit results • T0>Tc by 2-5 s, indication for deconfinement in Au+Au and p+p, based on lattice QCD (Tc162MeV) • Finite Rs at the freeze-out  not phase transition, crossover • No radial flow in p+p  1D Hubble, spectra slope  T0 • 3D Hubble flow in Au+Au (1/t0 ut’/Rs) • CERN SPS also fitted, but T0<Tc there! M.Cs., T.Csörgő, A. Ster, B. Lörstad: Quark Matter 2004,J.Phys.G30: S1079-S1082,2004; nucl-th/0403074 T. Csörgő, M.Cs., B. Lörstad, A. Ster: WWND’04, Submitted to Heavy Ion Physics; hep-ph/0406042

44. Big Bang vs. Little Bang • Developed Hubble-flow at RHIC and in the Universe • Universality of the Hubble expansion: un= Hrn • Hubble constant of the Universe: • H0= (71±7) km/sec/Mpc • converted to SI units:H0= (2.3 ± 0.2)×10-18 sec-1 • Hubble constant in Au+Au collisions at 200 GeV • HRHIC,long = <ut’>/Rs (3.8 ± 0.4)×1022 sec-1 • HRHIC,trans = 1/0 (5.1 ± 0.1)×1022 sec-1 • Ratio of expansion rates: • HRHIC / H0 2×1040 • Really equals approx. the ratio of the ages! • 15×109 yrs vs. 7fm/c

45. Main axes of expanding ellipsoid: • 3D expansion, 3 expansion rates: • Introducing momentum-space eccentricity: • Hubble type of expansion: • Aprroximation: • Additionally: Ellipsoidal generalization • Axially symmetric case: RG, ut M.Cs., T.Csörgő, B. Lörstad: Nucl.Phys.A742:80-94,2004; nucl-th/0310040

46. ‘Friedmann-equation’ ofheavy ion physics • From the hydro solution of the expanding ellipsoid: • This relates to the following Hamiltonian: • Direction-dependent Hubble-flow:

47. The elliptic flow • One-particle spectrum: • Pseudorapidity dependence mostly not understood (except see Hama/SPHERIO) • The m-th Fourier component is the m-th flow • Depends on pseudorapidity and transverse momentum

48. Universal scaling • Scale parameter w The perfect fluid extends from very small to very large rapidities at RHIC

49. Thanks for your attention Spare slides coming …

50. Nonrelativistic hydrodynamics • Equations of nonrelativistic hydro: • Not closed, EoS needed: • We use the following scaling variable: • X, Y and Z are characteristic scales, depend on (proper-) time