Kvantum-optikai módszerek

Kvantum-optikai módszerek a nagyenergiás fizikában Csörgő Tamás Department of Physics, Harvard University, Cambridge, MA MTA KFKI RMKI, Budapest

                       

A HBT effektus GGLP, BEC Bevezetés a gyorsítók világába Femtoszkópia Alkalmazások

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

A RHIC gyorsító és a 4 RHIC kísérlet

                        STAR

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

LHC: Nagy Hadron Ütköztető 6+1 kísérlettel

27 km hosszú alagút 100 méterrel a felszín alatt 2 K hőmérsékletű He 8.3 T mágnesek

                        MoEDAL

LHCf

TOTEM

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

RHIC: Tervek 2000 (és 2010) környékén Kihasználni a RHIC példátlan képességeit Nagy √s Megbízható pQCD szondák rendelkezésre állása A ütközési barionok tiszta szétválaszása a „glue”-tól Döntő kísérleti evidencia találása a QGP létezése mellett/ellen

Polarizált p+p ütközések

Két kisebb és két nagyméretű detektor

 

Ezek egymást kiegészítő, de átfedésekkel is rendelkező                        képességek Kis detektorok 3-5 év élettartammal: BRAHMS, PHOBOS Nagy detektorok ~ Nagyberendezések: PHENIX, STAR Komoly összegű beruházásokkal Hosszú élettertamok (20+ év, 3. generációs PHENIX tervezés alatt) Lehetőség az elért felfedezések alapján kezdeményezett fejlesztésekre ( 2010: Luminozitásnövelés alacsony energián, QCD kritikus pont keresése, direkt fotonok, elektron-ion collider ...) ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Azóta… A RHIC gyorsító komplexum

Rutinszerű működés a tervezett luminozitás 2-4-szeresével (Au+Au A működési módok rendkívüli változatosságával Ütközési nyalábkombinációk: Au+Au, d+Au, Cu+Cu, pp+pp Energiák: 22 GeV (Au+Au, Cu+Cu, pp+pp), 7,7, 32, 56 GeV (Au+Au), 62 GeV (Au+Au,Cu+Cu, pp+pp) , 130 GeV (Au+Au), 200 GeV (Au+Au, Cu+Cu, d+Au, pp+pp), 410 GeV (p+p), 500 GeV (pp+pp)

Kísérletek: Sikeresek ! PHOBOS és BRAHMS adatfelvétele 2005-ben lezárult

 

Tudományos eredmények:                       

350+ referált közlemény, ebből 120+ PRL Jelentős felfedezések

A jövő alapjai:

Bizonyított képesség a PHENIX és STAR detektorok fejlesztésére Kulcsfontosságú tudományos kérdések meghatározása A gyorsítókomplexum és a kísérletek detektorrendszereinek bővítés a 2. fázisba léptünk az újabb tud. célok elérésére a QCD kritikus pontja: előkészület alatt a 3. fázis (5-10 év)

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Nyelvezet A közösen használt alapvető nukleáris tulajdonságok

A, Z … A nehézionfizika specifikus mennyiségei

v2 RAA

Azimutális anizotrópia - Fourier együttható- “elliptikus folyás”

 

                       Nukleáris modifikációs faktor, értéke 1 ha nincs magfizikai hatás

T

Hőmérséklet (MeV)

µB

Barion kémiai potenciál (MeV) ~ nettó barion sűrűség

η

Viszkozitás ( MeV 3 )

s

Entrópiasűrűség ( MeV 3 ) ~ “részecske” sűrűség

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Első mérföldkő: új jelenség

                       

A RHIC-nél a nagy transzverzális momentumú részecskekeltés jelentős elnyomása az Au+Au ütközésben a PHENIX felfedezése ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Második mérföldkő: az anyag új formája

d+Au: nincs elnyomás

                       

Nem nukleáris effektus Au+Au: Az anyag új formája!

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Harmadik mérföldkő: Top Physics Story '05

                       

http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0410003 930+ hivatkozás 5 év alatt ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Negyedik Mérföldkő: A kvarkfolyadék

                        A φ mezon v2 értéke követi a többi mezonét

hadron

v2

hadron

 K ET

hadron

K ET

quark

quark

 K ET

≈nv2

quark

≈nK ET



A D mezon v2 értéke követi a többi mezonét

A ritka és a bájos kvarkok is részt vesznek a folyásban ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Ötödik Mérföldkő: A tökéletesség limitált! Minden eddigi “realisztikus” hidrodinamikai számítás a RHIC folyadékra 0 viszkozitást tételezett fel ℏ ℏ η = 0 →“tökéletes folyadék” η≥  Entropy Density≡ s 4π 4π Azonban létezik egy (feltételezett) quantum limit: “A Viscosity Bound Conjecture”, P. Kovtun, D.T. Son, A.O. Starinets, hep-th/0405231

Hogy viszonyulnak a “rendes” folyadékok ehhez a limithez?

(4 π) η/s > 10 !

                       

RHIC tökéletes folyadék

(4 π) η/s ~1

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

(4π)

A legforróbb (T > 4 Terakelvin) és a legtökéletesebb valaha előállított folyadék…

Csörgő T.

Az erős kölcsönhatás halmazállapotai • A RHIC energiáin az ütköző protonok és neutronok megolvadnak • A korai Világegyetemben néhány mikromásodperckori halmazállapot 2

e SB T =

p N 7 /8N fermionsT 4 30 bosons

Quark Gluon Plasma

Hadron

Tc ~ 170 MeV; ε ~ 1 GeV/fm3

Megmértük a reakciók kezdeti hőmérsékletét (PHENIX PRL 104, 132301 (2010) ) Vajon Tinit magasabb-e, mint Tc ~ 170 MeV?

12

6. mérföldkő: a kezdeti hőmérséklet A.Adare et al. ArXiv:0912.0244 PHENIX Collab PRL 2010, PRC 2010 in print

TAuAu (fit) ~ 220 MeV TC from Lattice QCD ~ 170 MeV Az adatokból közvetlenül: Tini > TAuAu ~ 220 MeV Modellszámításokból: Tini = 300 - 600 MeV, ha τ0 = 0.15 - 0.6 fm/c Rács QCD számolásokból, és a Hagedorn spektrumból: Tc ~ 170 MeV 13

A RHIC felfedezések fénye: A RHICnél talált kvarkanyag igen forró, nem hadronikus, folyadék természetű ~ tökéletesen folyik nagyon opálos                       

 

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

A QGP/RHIC publikáció visszhangja

                       

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Mi is a RHIC tízéves terve? ALD Steve Vigdor has charged PHENIX and STAR to write decadal plans due August 1, 2010. 1. Summarize detector upgrades underway and to be utilized in the next 5 years. 2. Compelling science beyond 5++ years that require additional detector upgrades and machine capabilities.

                       

3. Prioritize the physics and the upgrades above. 4. Discuss the option of an electron beam in the tunnel and thus an ePHENIX and eSTAR in the MeRHIC and EIC era. 5. Discuss the evolution of the collaboration and experimental effort.

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Az LHC kísérletei dióhéjban 7 LHC kísérlet: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf, MoEDAL, TOTEM Három 1000+ fős kísérlet: ALICE, ATLAS, CMS Három 100- fős kísérlet: LHCf, MoEDAL, TOTEM Az LHCb e két csoport között 730 fővel (kb PHENIX + STAR) Magyar csoportok: ALICE, CMS, TOTEM

 

ALICE: 31 ország, 111 intézet, 1000 fő, nehézion + részecskefiz.                        ATLAS: 37 ország, 173 intézet, 3000 fő, részecske + nehézionfiz. CMS: 38 ország, 183 intézet, 2500+ fő, részecske + nehézion LHCb: 15 ország, 54 intézet, 730 fő, részecskefizika (CP sértés) LHCf: 6 ország, 13 intézet, 32 fő, részecske +kozmikus fizika MoEDAL: 6 ország, 9 intézet, 23 fő, monopolus és egzotika rf. TOTEM: 7 ország, 10 intézet, 70 fő, részecske +kozmikus fizika

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Az LHC beindulása 2009. nov. 23. első ütközések 900 GeV-en Kb. 400 ezer ütközés

2009. dec. 14. első ütközések 2.36 TeV-en Kb. 20 ezer ütközés

2010. márc 30. első ütközések 7 TeV-en addig több mint 50 M ütközés

                       

(terv: 1000 M/sec)

2009. Első LHC nyaláb a CMS-ben (Veres G.) ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

A CMS első publikációja Az első publikált eredmény 2.36 TeV-en Az első publikált impulzusmérés az LHC-nél • Az eredmények követik a régebbi kísérletek adatai által mutatott trendet • A keletkezett részecskék száma gyorsabban nő az energia függvényében, mint gyakran használt modellek jósolták. • A cikk bemutatja                       hogy a CMS detektor készen áll a következő hosszú adatfelvételre • A detektor kiválóan működött már a legelső órában, és nagyon jó minőségű adatokat rögzített. Ez a kezdete a CMS hosszú és érdekesnek ígérkező fizikai programjának! • •

 

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

JHEP 02 (2010) 041

31 Csörgő T.

Első CMS eredmények: szögeloszlás (dN/dη)

                        Az átlagolt és szimmetrizált ieredmények. Összehasonlítás az UA5 és ALICE kísérletek adataival. JHEP 02 (2010) 041

A három módszer összehasonlítása 0.9 TeV és 2.36 TeV energián. ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

30 Csörgő T.

Az ALICE első publikációja Phase 1: rediscovering the standard model to E ted t i m sub

P JC

2

2 ov 8N

009

(QCD in the case of ALICE)

The average number of charged particles created perpendicular to the beam in pp collisions at 900 GeV is: dN/dη = 3.10 ± 0.13 (stat) ± 0.22 (syst)

                       

≈π

National Geographic News (4 Dec.) ‘….a machine called ALICE.... found that a (!) proton-proton collision recorded on November 23 created the precise ratio of matter and antimatter particles predicted from theory..’ This is the first (and easiest) of many numbers we need to (re)measure to

last time measured at the ISR for pp 37 ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

get confidence in our detectors, tune the simulations, study background, .... Phase 2 is still a long way to go.. 17/12/2009 CERN J. Schukraft Csörgő T.

Az első LHC ütközések a TOTEM kísérletben Élenjáró Protonok az IP5-től -220 és -147 m-re

RP147, RP220 Pa

tch

Pa

ne ls

IP 5

Se rvi ce Fr s ro om ut Ca ing sto : r to Ra ck s

T2

T2 T1

CM S területi területi áttekintés területiáttekintés áttekintés

Inelasztikus Teleszkópok - Rapidity gaps - Forward particle flows

T2

Pa

T1

tch

P an

els

Se rvi ce Fr s ro om uti Ca ng sto : r to Ra ck s

T2

RP147, RP220

Élenjáró Protonok az IP5-től +147 és +220 m-re

Diffraktív folyamatok Diffraktív folyamatok és hatáskeresztmetszetek (Tevatron mérte 1.8 TeV-en, LHC méri majd 10-14 TeV-en)

                       

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

2009 egyik legszebb pillanata

                       

R. Glauber a TOTEM magyar csoportjával ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Hogyan tovább? LHC tervek 2010: 7 TeV, 100-200 pb-1 Nehézion-ütköztetés: 4 hét, 10-100 M esemény Téli szünet 2011: 2012: 2013: 2014: 2015:

7 TeV, 1 fb-1 1 év technikai szünet                        13 TeV tervezett lumi. 25% 13 TeV tervezett lumi. 40% 14 TeV

 

Tervezett luminozitás: 1034 cm-2 s-1 Jelenlegi luminozitás: 1028 cm-2 s-1 (800 Hz ütközési frekvencia) ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Köszönet: DOE, Fulbright, HAESF, MTA, NSF,OTKA ++

                       

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Erősen kölcsönható anyagok  Ultra-hideg atomos 6Li gáz  Tökéletesen folyó Kvark-Gluon Plazma (RHIC)  Nagy Tc- Szupravzetők  Neutron anyag  Fekete lyukak a húrelméletben                       

 

Erősen csatolt 6Li gáz, T = 10-7 K J. Thomas et al, Science (2002)

Kvark-gluon plazma, T>4x1012 K Hasonló “Elliptikus” folyási kép ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

An old/new look at the stars Intensity interferometry in radio astronomy Angular diameter of a main sequence stars

                       

R.Hanbury Brown ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

R. Hanbury Brown and R. Q. Twiss •

Engineers, worked in radio astronomy

•

In fact two people: Robert Hanbury Brown and Richard Q. Twiss –

Robert, Hanbury and Richard: all given names…

•

„Interference between two different photons can never occur.” P. A. M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, Oxford, 1930

•

„In fact to a surprising number of people the idea that the arrival of                        photons at two separated detectors can ever be correlated was not only heretical but patently absurd, and they told us so in no uncertain terms, in person, by letter, in print, and by publishing the results of laboratory experiments, which claimed to show that we were wrong …”

•

“I was a long way from being able to calculate, whether it would be sensitive enough to measure a star. To do that one has to be familiar with photons and as an engineer my education in physics had stopped far short of the quantum theory. Perhaps just as well, otherwise like most physicists I would have come to the conclusion that the thing would not work – ignorance is sometimes a bliss in science”

 

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Bose-Einstein or HBT correlations • Two plane-waves: • Bosons: need for symmetrization

source S(x,k) k2 k1 Ψ1,2

                        • Spectrum:

x1 x2 detector

S(x,k) is the source distribution

• Two-particle spectrum (momentum-distribution):

Approximations: Plane-wave, no multiparticle symmetrization, thermalization … ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Again, what brings us all this? • If the source is approximated with Gaussian:

• Then the correlation function is also Gaussian:

                       

• These are the so-called HBT radii If transformed to the out-side-long system (not invariant) • Out: direction of the mean transverse momentum of the pair • Side: orthogonal to out • Long: beam direction

• Not necessarily reflecting the geometrical size –Take a hydro model of an expanding ellipsoid… ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Interesting new directions Azimuthally sensitive HBT (STAR, PHENIX) Source imaging (PHENIX, STAR) Multiparticle correlations (STAR, PHENIX) Non-identical correlations (STAR) Rapidity dependent HBT (PHOBOS) Photon HBT (STAR, PHENIX) Non-Gaussian form (L3, PHENIX, STAR, ALICE, CMS)

                       

– S. Hegyi, T. Cs., W. A. Zajc, L3, STAR, ...

Pion lasers – S. Pratt, Q.H. Zhang, T. Cs, J. Zimányi, Yu. Sinyukov...

Mass-modification, squeezing – M. Asakawa, T. Cs., M. Gyulassy, Y. Hama, S. Padula, ...

Search for axial UA(1) symmetry restoration, λ(pt) – S. Vance, T. Cs., D. Kharzeev, R. Vértesi, J. Sziklai ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Non-Gaussian distributions • The source does NOT have to be Gaussian – Non-Gaussian tails – Low-q bins

• One can check, if the correlation function is really                        Gaussian or not

 

• The Gaussian assumption can potentially cause results to be meaningless ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Squeezed back-to-back correlations

                       

ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

PHENIX back-to-back correlations

                       

• M. Nagy for PHENIX, WPCF 2009, CERN ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.

Possible implications

                       

• M. Nagy for PHENIX, WPCF 2009, CERN ELFT Nyári Iskola, 2010. IX. 3.

Csörgő T.