Duże pędy poprzeczne w zderzeniach relatywistycznych jonów.

1. Duże pędy poprzeczne w zderzeniach relatywistycznych jonów. Konferencja QM05 – część II BożenaBoimska IPJ Seminarium Fizyki Wysokich Energii, UW 9 XII 2005

2. Plan • Wstęp • Modyfikacje widm pT w zderzeniach A+A • Czy obserwujemy gaszenie jetów? -> oddziaływania p(d)+A -> korelacje azymutalne • Podsumowanie • Przyszłość HI

3. Wyniki z konferencji Quark Matter – Budapeszt, sierpień 2005. W cześci I było: * charakterystyki globalne(krotności, rozkłady pospieszności) * ‘flow’ *trochę o ‘hard probes’(cząstki z kwarkami ciężkimi, cząstki z dużym pT). W zderzeniach ciężkich jąder przy wysokich energiach tworzona gęsta, gorąca materia partonowa.

4. Schematic view of jet production hadrons leading particle q q leading particle Duże pT Cząstki z dużym pT: *pochodzą z jetów * są produkowane w oddziaływaniach twardych w początkowej fazie zderzenia (t~1/pT~0.1 fm/c) * można policzyć przekrój czynny na ich produkcję metodami pQCD. W zderzeniach A+A: parton, który oddziaływał twardo, porusza się w ośrodku, który jest (jeszcze) gęsty i gorący => cząstki z dużym pT(powstałe z fragmentacji tego partonu)niosą informację o materii powstałej zaraz po zderzeniu.

5. Dane: Głównie z eksperymentów (BRAHMS, PHOBOS, PHENIX, STAR) przy akceleratorze RHIC w Brookhaven. ‘Stare’ dane: Au+Au (√sNN= 200, 130, 19GeV) d+Au (200GeV) p+p (200GeV) Nowe dane: Run4 Au+Au 200GeV „long run”, high statistics Au+Au 62GeV energy scan Run5 Cu+Cu 200GeV system size Cu+Cu 62GeV energy scan Cu+Cu 22GeV + nowoopracowane dane z NA49 i NA57 (SPS w CERN) dla Pb+Pb@√sNN= 17GeV.

6. Wyznaczanie centralności Spectators Participant Region b 2R ~ 15fm Spectators Mniejszy parametr zderzenia b Większy obszar zderzenia Więcejnukleonów uczestników Nparti zderzeń Ncoll

7. Wyznaczanie centralności • Niestety nie da się zmierzyć parametru zderzeniab • Eksperymenty przy RHICu, centralność parametryzują przez liczbę zderzeńNcolli liczbę uczestnikówNpart (85-100)% (0-5)% • Mierzy się rozkłady krotności cząstek naładowanych, i rozdziela na przedziały danego ułamka całkowitego przekroju nieelastycznego - • Z modelu Glaubera wylicza sięNcolliNpartodpowiadające danemu przedziałowi 

8. Yield(AA) RAA = NCOLL(AA)  Yield(NN) Scaled N+N reference Yield(centr.)/NCOLL(centr.) RCP = Yield(periph.)/NCOLL(periph.) Nuclear modification factor - R również używane: * małe pT- miękkie oddziaływania: skalowanie z liczbą partycypantówNpart=>R<1 * duże pT- twarde oddziaływania : skalowanie z liczbą zderzeńNcoll=>R=1 R>1- wzmocnienie R<1 - tłumienie Coś ciekawego dzieje się gdy:

9. 0 Widma pTAu+Au@200GeV B.Cole Duży zakres mierzonych pT – aż do20GeV/c

10. R - zależność od centralnościAu+Au@200GeV B.Cole Tłumienie - rośnie z centralnością pT dla centralnych: efekt bardzo silny (RAA=0.2!) dla pT od 4 do 20GeV/c ~ const. =>bardzo gęsty ośrodek(?)

11. R - zależność od energiiAu+Au@200GeV & Au+Au@62GeV centralność P.Staszel h± Brahms preliminary 200 GeV 62.4 GeV 200 GeV pp reference from BRAHMS data – PRL 93, 242303 (2004) • Po obniżeniu energii do 62GeV: • dla ‘pół-centralnych’ – wzmocnienie • dla centralnych - tłumienie (ale mniejsze niż dla 200GeV) 62.4 GeV pp reference is based on ISR collider data

12. Au+Au vs. Cu+Cu V.Greene Pomiar dla dużych pT dla centr. Cu+Cu@200GeV - tłumienie Zależność od centralności: RAA(pT > 7 GeV/c) Cu+Cu podobne do Au+Au przy danym Npart

13. R - zależność od rodzaju cząstkiAu+Au@200GeV D.Roehrich RCP Dla średnio-dużych pT widoczne różnice pomiędzy cząstkami. Efekt masowy czy partonowy? => zbadać np. f Różnica mezon-barion => różny mechanizm produkcji (rekombinacja(?))

14. R - zależność od rodzaju cząstkiFotony bezpośrednie (‘prompt photons’) B.Cole centralne Au+Au@200GeV Duże pT : p0 , h RAA < 1 ‘prompt’ g RAA = 1(skalowanie z Ncoll)- zgodne z oczekiwaniami bo g nie oddziałują silnie z ośrodkiem

15. NA57 talk by A. Dainese; nucl-ex/0507012 NA49 talk by A. Lazslo Zależność od energii raz jeszcze ...Nowe dane dla SPS: Pb+Pb@17GeV M.van Leeuwen NA49 NA57 Stare dane dla SPS - WA98, Eur.Phys. J. C23, 225 (2002) – niekonkluzywne • Nowe dane NA49 i NA57: • R(barion)>R(mezon)- podobnie jak przy RHICu • dla barionów – wzmocnienie • dla mezonów – niewielkie tłumienie! (RHIC – silne tłumienie)

16. Co na to teoria? Efekt tłumienia produkcji cząstek z dużymi pT przewidziany zanim uruchomiony RHIC: M.Gyulassy et al. Phys.Lett.B243(1990)432, X.N.Wang et al. Phys.Rev.D51(1995)3436 Gluon bremsstrahlung ‘jet quenching’ radiacyjne straty energii przez wysokoenergetyczne partony poruszające się w gęstym ośrodku partonowym High gluon density requires deconfined matter (“indirect” QGP signature !)

17. NA57 talk by A. Dainese; nucl-ex/0507012 NA49 talk by A. Lazslo E loss (Wang) Eksperyment vs. Teoria M.van Leeuwen I.Tserruya RHIC SPS Modele pQCD+’energy loss’ : - dobrze opisują dane eksperymentalne dla dużych pT - pozwalają uzyskać informację o wytworzonej materiinp. o gęstości gluonów:dNg/dy~400-600 dla SPS dNg/dy~1200 dla RHIC

18. Podsumowując ... Duże pT • Centralne Au+Au@200GeV - R<1 tłumienie • Efekt słabszy (mniejsze tłumienie) gdy: - mniej centralne zderzenie - lżejsze jądra - niższa energia(początki tłumienia widoczne przy SPS) Średnio-duże pT • Widoczna zależność od typu cząstki (mezon-barion) Efekt tłumienia tłumaczony przez modele teoretyczne poprzez tzw.‘jet quenching’. Jak sprawdzić czy obserwowany efekt może być rzeczywiście wynikiem gaszenia jetów? • Badanie prostszych systemów:p(d)+A(nie spodziewamy się tworzenia gęstej, gorącej materii). • Badanie jetów

19. STAR Porównanie d+Au & Au+Au C.Gagliardi @200GeV h± * centralne d+Au brak tłumienia, R>1 - wzmocnienie (rośnie z centralnością) * centralne Au+Au silne tłumienie Pokazywane już na QM’03 w Oakland Tłumienie produkcji cząstek z dużym pT w Au+Au wynik wytworzonej w zderzeniu gęstej materii partonowej => Mamy ‘jet quenching’

20. Badanie zderzeń d+Au@200GeV R - zależność od rodzaju cząstki X. Cai Dla pT > ~1GeV/c : * R>1 - wzmocnienie(efekt Cronina) * R(barion) >R (mezon)- podobnie jak dla Au+Au Czy tu też rekombinacja?

21. STAR R - zależność od rodzaju cząstkiOddziaływanie z materią: kwarki ciężkie vs. lekkie C.Gagliardi Heavy quarks d+Au non-photonic electrons Light quarks h± Au+Au Heavy quarks: d+Au:R~1 - skalowanie z Ncoll Au+Au:R ~0.2 - tłumienie; podobne jak dla kwarków lekkich

22. R - zależność od pospiesznościCo dzieje się poza obszarem centralnym ? Au+Au@200GeV P.Staszel Brak wyraźnej zależności od pospieszności dla obu badanych centralności. Czy oznacza to, że gęsta materia partonowa powstająca w centralnych zderzeniach rozciąga się aż do y=3?

23. R - zależność od pospiesznościCząstki zidentyfikowane centralne Au+Au@200GeV I.Tserruya Piony: y=0 , y=3.1 Protony: y=0, y=3 brak zależności od pospieszności

24. R - zależność od pospiesznościd+Au@200GeV D.Roehrich BRAHMS: PRL 93, 242303 (2004) Inaczej niż dla Au+Au: • zależności od pospieszności (R maleje) • zależność od centralności (efekt silniejszy dla zderzeń centralnych) Efekty obserwowane w d+Au tłumaczone przez modele saturacyjne.

25. Saturacja gluonów I.Tserruya przy maleniu x gęstość gluonów gwałtownie rośnie dla wysokich energii całkowite przekroje czynne rosną wolno z energią • Dla małych x gluony gęsto upakowane, stąd oddziaływania między nimi („gluon-gluon fusion”) i dlatego gęstości gluonów ograniczone („gluon saturation”) • Color Glass Condensate (CGC)D.Kharzeev et al. PLB 561 (2003) 93 • *CGC poprawnie opisuje dane z HERY dla x<10-2 * Dla oddziaływań jądrowych efekt powinien być silniejszy (zależność od A), bo większe gęstości gluonów. Dla RHIC √s=200GeV y=3 pT=1GeV/c: x~10-3=> efekty saturacji gluonów mogłyby być widoczne

26. Jednak już przy SPS ... centralne p+Pb@17GeV D.Roehrich gdy xF rośnie: R maleje B.B. PhD Saturacja gluonów? Raczej NIE

27. e+ + e- jet + jet p + p  jet + jet Au + Au  stuff + jet + jet Wracając do jetów ... STAR • Dla zderzeń A+A: • zbyt duże krotności by stosować algorytmy jetowe • badanie jetów poprzez korelacje azymutalne

28. Korelacje azymutalne STAR:p+p jet event near-side away-side dN/dDf ‘Trigger jetu’ Df 0º 180º • Szukanie jetów (procedura statystyczna): • Szukamy cząstki z dużym pT(powyżej pewnego progu) – ‘trigger jetu’ • Patrzymy na korelacje azymutalne pomiędzy triggerem a innymi cząstkami, tzn. na rozkład 1/Ntrig dN/d() • trzeba ‘odfiltrować’ korelacje z innych źródeł (np. flow)

29. Pedestal&flow subtracted Korelacje azymutalne - Wyniki Dla Au+Au niedobór dużych pT dla rozkładów inkluzywnych (R<1) - rezultat oddziaływań jetów z materią (‘jet quenching’) Efekt powinien być również widoczny dla korelacji azymutalnych 4< pT(trig) < 6 GeV/c 2 <pT(assoc)<pT(trig)GeV/c • p+p i d+Au wyglądają podobnie • dla centralnych Au+Au ginie jet ‘away’ J. Adams et al, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 072304

30. near away Pedestal&flow subtracted Leading hadrons Medium Korelacje azymutalne Jak można to wytłumaczyć: Ten widać bo powstaje blisko ‘brzegu’ J. Adams et al, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 072304 Ten jest tłumiony w gęstym ośrodku – ‘jet quenching’

31. pT(trig) pT(assoc) > 2 GeV/c Korelacje azymutalne - nowe wynikiwiększe pT(trig) Duża statystyka(Run4)to można badać korelacje dla cząstek z większym pT: Au+Au, 0-5% J.Dunlop STAR Preliminary No background subtraction! ‘away-side peak’ niewidoczny ‘away-side peak’ zaczyna być widoczny

32. Korelacje azymutalne - nowe wynikiwiększe pT(trig) i pT(assoc) 8 < pT(trig) < 15 GeV/c pT(assoc)>6 GeV/c J.Dunlop STAR Preliminary For the first time: clear jet-like peaks seen on near and away side in central Au+Au collisions =>informacja o ośrodku (z modeli)

33. Korelacje azymutalne Zależność od centralności 8 < pT(trig) < 15 GeV/c C.Gadliardi Brak zależności od centralności Im centralniejsze tym większe tłumienie

34. Podsumowanie * W centralnych zderzeniach A+A: - produkcja cząstek z dużym pT tłumiona w porównaniu do przewidywanego skalowania z Ncoll - 0bserwuje się znikanie ‘jetu-away’. * Dla zderzeń d+Au efekt nie występuje. * Dane zgodne z modelami pQCD uwzględniającymi radiacyjne straty energii partonów poruszających się w gęstym ośrodku partonowym. * Efekt jest silniejszy dla większych energii i bardziej centralnych zderzeń (lub cięższych jąder). * W obszarze średnio-dużych pT widoczna zależność od typu cząstki (efekt barion-mezon) -> w modelach należałoby chyba uwzględnić dodatkowo efekty nie-perturbacyjne (takie jak np.rekombinacja)

35. Przyszłość - RHIC S.Aronson Key measurements for the future: • Hard probes (high pT, heavy quarks):sensitive to how the medium is created • jets • hidden charm & beauty • open charm & beauty • Electromagnetic probes(real & virtual gs):information about the medium’s early properties • Low-mass e+e− pairs • Thermal radiation Planowane: zwiększenie świetlności(początkowoX2-3 , docelowo X10) zwiększenie zakresu A dla wiązek(aż do uranu) rozbudowa detektorów(precyzyjne detektory wierzchołka, identyfikacja dla cząstek przy wyższych pT, poszerzenie obszaru detekcji w kierunku „do przodu”, ...) Na razie to tylko plany. 2012 – 2014 (?) - rozpoczęcie budowy eRHIC

36. Przyszłość - LHC Akcelerator LHC(Large Hadron Collider) w CERNie i jego 4. eksperymenty: ALICE(A Large Ion Collider Experiment) ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) CMS (Compact Muon Solenoid) LHC –B są w trakcie budowy. Uruchomienie planowane na rok 2007. Badane zderzenia: p+p przy √sNN=14 TeV Pb+Pb przy √sNN= 5.5TeV W późniejszych latach prawdopodobnie będą również badane: * zderzenia p+A * zderzenia lżejszych jąder (Sn, Kr, Ar, O) * niższe energie.

37. ALICE- eksperyment dedykowany badaniom HI ATLASiCMS(badanie p+p) - mają też program HI 2007: p+p collisions @ 14 TeV 2008: Pb+Pb collisions @ 5.5 TeV

38. LHC H.A. Gustafsson Running parameters: √sNN (TeV) L (cm-2s-1) Run time (s/year) sgeom (b) Collision system 14.0 1034 107 0.07 pp 5.5 1027 106 PbPb 7.7 W porównaniu do RHICa, wytworzony w zderzeniu system: gorętszy większy gęściejszy o dłuższym czasie życia. (prawie 30 razy większa energia i cięższe jądra)

39. 108 106 104 102 100 Q2 (GeV2) 10-6 10-4 10-2 100 x Obszar kinematyczny H.A. Gustafsson Przy LHC dostępny obszar bardzo małych x (saturacja gluonów – CGC): RHIC x~10-3-10-4 x~10-5-10-6 RHIC y=3 LHC y=0 y=5

40. (h++h-)/2 p0 √s = 5500 GeV 200 GeV LO p+p y=0 17 GeV LHC RHIC SPS Procesy twarde H.A. Gustafsson *procesy twarde dominują *dużo cząstek z bardzo dużymi pT *dużo ciężkich kwarków

41. Program fizyczny * Charakterystyki globalne (‘day-one measurments’): Nch, dN/dh, dET/dh, flow * Jety i ich tłumienie * Ciężkie kwarki * Quarkonia(J/,) * Fotony bezpośrednie (direct) (Gyulassy&Vitev) Przewidywania teoretyczne

42. Porównanie eksperymentów- pokrycie w pT H.A. Gustafsson 0 1 2 10 100 pt (GeV/c) Hard processes modified by the medium Bulk properties ALICE PID CMS&ATLAS ALICE (małe pT, PID) CMS & ATLAS (bardzo duże pT)

43. Backup slides

44. 4.0 < pT(trig) < 6.0 GeV/c 2.0<pT(assoc)<pT(trig) GeV/c 0.15<pT(assoc)<4.0 GeV/c Azimuthal correlations How does the medium respond? C.Gadliardi High momentum correlation suppressed Low momentum correlation enhanced Recoil distribution soft and broad .

45. 0-5% Au+Au p+p STAR Preliminary RCP i RAA - różnice D.Roehrich Uwaga: RCPRAA Mezony: RCP< 1, RAA<1 Bariony: RCP<1, R AA>1