Bevezetés a nehézion fizikába Fodor Zoltán KFKI-Részecske és Magfizikai Kutató Intézet
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
1
A világmindenség fejlődése • A Nagy Bummnál minden anyag egy pontban sűrűsödött össze, ami azután tágulva lehűlt. • Ennek az anyagnak a tulajdonságai teljes bizonyossággal mások voltak mint a ma közvetlenül megfigyelhető világnak. világnak • Tudjuk-e tanulmányozni ezt az anyagot?
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
2
• A quarkok be vannak zárva, a mai normál k l körülmények k közötti k i állapotban. ll b • Mi történik akkor, ha a részecskék olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy már nincs közöttük szabad hely? A quarkok kiszabadulnak a börtönükből, és az egyensúly nem a h d hadronok k között kö ött lesz, l hanem h a quarkok k k között. kö ött Ezt E t az anyagott nevezzük QuarkGluonPlazmának. De hogyan lehet ezt tanulmányozni? Visszafelé is végrehajtható-e? 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
3
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
4
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
5
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
6
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
7
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
8
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
9
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
10
Tanulmányozási módszerek • Hogyan tudunk ilyen anyagot előállítani? – nehézionok nagyenergiával történő ütköztetésével
• Mivel tudjuk megnézni? – Az ütközést körülvevő detektorokkal, de mérni csak a kifagyott hadronokat tudjuk.
• Hogyan tudjuk meghatározni az állapot paramétereit? – Ismert törvényszerűségek és összefüggések segítségével. 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
11
Nehézion gyorsítók Helye y
Max energia/nukleon g
üzembeállítás
GSI, Darmstadt
1.5 GeV
1991
AGS, Brookhaven
9 Gev
1992
CERN C NS SPS, S, Ge Genf
160 60 GeV
1994 99
RHIC, Brookhaven
20.000 GeV
2000
CERN, LHC
14.500.000 GeV
2008/9
FLAIR, Darmstadt
45 GeV
2015
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
12
LHC ALICE
NA49/NA61
SPS
Alice A L I C E
NA49-future
Kitűzött feladatok • Alacsonyabb energiákon: – Állapotegyenlet ρ(p) meghatározása – Új, Új a stabilitási bili á i vonaltól l ól távol á l esőő atommagok k előállítása
• Magasabb M bb energiákon: iák – Állapotegyenletnek a ρ(T) és ρ(p) meghatározása – Az új fajtájú anyag előállítása, amit Quark Gluon Plazmának nevezünk – A fázisátalakulási görbék meghatározása 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
14
Mérési módszerek • Ütközési paraméter – A nem köl kölcsönható ö h ó anyagrész é mennyisségének i é é k mérése éé – Az ütközésben keletkezett részecskék számának mérése
• A keletkezett tűzgömb geometriai nagysága – Azonos típusú részecskék eloszlásából
• A tűzgömb hőmérséklete – A keletkezett részecskék nyalábra y merőleges g irányú y impulzus p eloszlása
• Kémiai összetétele – A keletkezett részecskék fajtájának eloszlása /különösen értékesek, amelyek megmaradnak a kifagyás folyamata alatt/ 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
15
A viz fázisai
Az erősen kölcsönható anyag fázisai
de a
A maganyag fá fázis i görbéit ö béit még é nem ismerjük
Te emperaturre (MeV)
A viz fázisgörbéi
Kritikus pont Első rendű fázisátalakulás
?
?
Baryochemical potential (MeV)
Ólom atommagok ütközése, 5500*208 GeV = 0,00018 J Szimuláció 10-13 cm méretskálán
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
18
Az NA49/NA61-es kisérlet nagy térszögű hadron spektométer a CERN-SPS-nél
Mágnesek impulzus mérésre beam
Az előremenő teljes térszög le lett fedve ebből: (y,pt)-spektrum → 4π yields
részecske azonosítás • dE/dx (3-6% res.) • TOF (60 ps res.) centrális rapiditás körül • invariant mass + topology (5-10 (5 10 MeV res.) 2007 Aug. 17, HTP-2007
Nyomdetektorok Repülési p idő det. • Centralitás mérése a bombázó részecske fragmentumai energiáinak alapján AA esetén • könnyebb bombázó részecskék az ólom atommag hasításából
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
19
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
20
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
21
Egy esemény képe
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
22
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
23
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
24
Tanulmányozott rendszerek •A legnagyobb azonos körülmények között mért adathalmaz a CERN-i SPS gyorsítónál centrális Pb+Pb ütközéseknél, •Pb+Pb, Si+Si, C+C reakciók mérése az impakt paraméter függvényében, és p+p valamint p+A adatok az összehasonlításhoz • energiafüggés i fü é meghatározása h tá á az SPS ált általl elérhető lé h tő tteljes lj energia i ttartományban t á b →jelenleg szinte teljesen folytonosan léteznek adatok az SPS küszöbenergiájától a maximális RHIC energiáig →az SPS által elért energia tartomány rendkívül érdekes az utóbbi évek eredményei alapján →nagy gy p pontosságú g adatok az elemi ütközéseknél • • • • • •
C+C, Si+Si Pb+Pb p+p p+Pb, p+C π+p, π+Pb n+p, /d+p -ból/
2007 Aug. 17, HTP-2007
158, 40 GeV/n 158, 80, 40, 30, 20 GeV/n 158 GeV 158 GeV 158 GeV 158 GeV
NA61-ben tervezett In+In 10-160 GeV/n Si+Si 10-160 GeV/n C+C 10-160 GeV/n
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
25
Proporcionális kamra Ionizációs kamra +
elektronok
-
-
R
ionok
-
2007 Aug. 17, HTP-2007
+
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
26
TPC Time Projection j Chamber Katód
Detektálandó részecske Drift elektronok Áteresztő rács sokszorozó sik kiolvasó pad
x z a pad elhelyezkedéséből x,z elhelyezkedéséből, y a driftelési időből 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
27
Új fejlesztés: GEM detektorok 70 µm 140 µm
_ Avalanche
+
• • • • •
105-106 V/cm 2007 Aug. 17, HTP-2007
Olcsón előállítható Nagy felület készíthető Sérülésekre tisztaságra kevésbé érzékeny Kiválthatja a TPC-k TPC k szálrendszerét Felületére konverter is felpárolható, amivel gamma ill. fény detektor gyártható á th tó
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
F. Sauli, NIM A386,1997, 531 28
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
29
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
30
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
31
Repülési idő mérése • A mérés kezdete: a bombázó részecske belépése a rendszerbe d b • A mérés vége: a részecske becsapódása a detektorba • A bombázó részecske repülési ideje a céltárgyig állandó g út az impulzusától p függ gg • A keletkezett részecske által megtett a mágneses tér miatt • A mérés relatív, mert csak a különböző részecskék között repülési idő különbséget kell mérni. • Az NA49-es kísérletnél a repülési út ~14m, a szükséges pontosság 60-80 ps, az egyik rendszert a KFKI készítette és ezért BUDAFAL a neve. 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
32
Budafal
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
33
Részecske azonosítás momentum dE/dx
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
34
0
0
Ks és Λ analizis • •
Azonosítás a bomlás topológiája alapján rapiditás [-0.5, 0.5], centralitás: 0-23.5 %
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
35
A tűzgömb méretének meghatározása • Bose-Einstein koreláció alapján – A bozonok szeretnek azonos impulzus állapotba kerülni, és hogy ez mekkora relatív impulzus tartományig hat, az függ a forrás méretétől.
• Deuteronok és a protonok arányából – Az egymáshoz közeli impulzusú p és n szeret deuteronná egyesülni és ennek a folyamatnak a hatáskeresztmetszete is függ a forrás nagyságától
• A különböző részecskék nyalábra merőleges impulzus p eloszlásai és a forrás nagysága gy g és kiterjedésének sebessége között is van egy összefüggés, ami szintén a forrás nagyságától függ 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
36
A tűzzgolyó hőmérsséklete
Felületen a tágulási sebesség
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
37
〈 π 〉 / 〈 N w〉
Heating curves of strongly interacting matter measured by NA49 at the CERN SPS serve as evidence for a transition 25 b between hadron h d gas and d quark-gluon plasma, 20 2
(A+A)-(p+p)FIT
1
15
0
-1 0
1
2
3
4
similarly the heating curve of water shows the transitions between the phases of water
5 1/2
F (GeV )
tem mperature (oC)
+
+
〈K 〉/〈 π 〉
5
0.2
0.1
300
Heat used to vaporize water to water vapor
100
Heating of water vapor
Heating of water
+
T(K ) (MeV)
Properties off produce ed hadron ns
10
200
0 A+A:
100
p+p p p
0
5
NA49 AGS RHIC
10 15 1/2 F (GeV )
Collision energy
Ice Q (heat added) NA49-future
Hadronok a centrális PbPb ütközéseknél • •
Kezdeti állapot: energia sürüség ε ≈ 3 GeV/fm3 [NA49, PRL 75(1995)3814] Végállapot: kémiai egyensúlyban lévő hadron gáz •
Kifagyási paraméterek SPS-nél: Tchem ≈ 160 MeV μΒ ≈ 240 MeV (γS ≈ 0.8)
•
RHIC: Tchem h ≈ 160 MeV μΒ ≈ 30 – 50 MeV
A hadronizáció a fázis átmenethez közel történik Becattini et al. PRC 69(2004) 024905 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
39
Fázis diagram Hadronkeltés hatáskeresztmetszeteit mértük meg 20-158 GeV/n →(T,μB) a hadrokémiai kifagyásnál Új program a kritikus pont kísérleti kimutatása: •Fluktuációk mérésével a bombázó energia és atommag függvényében
NA61 • •
A deconfinementet hol érjük el? Az SPS-nél SPS nél vagy a RHIC-nél? RHIC nél? Alacsony SPS energiáknál – Csökkenő hőmérséklet növekvő barion sűrűség – (depart from phase boundary)
2007 Aug. 17, HTP-2007
Kritikus pont (E): Fodor and Kratz, Hadron Gas(γs): J. Manninen et al., G Grey bband: d elsőrendű l ő dű fázisátalakulás] fá i át l k lá ]
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
40
•
Transverzális tömeg eloszlások
az <mt> energiafüggésében is változás figyelhető meg az alacsonyabb SPS energiáknál
filled symbol: particle open symbol: antiparticle
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
41
Szolenoid mágnes 0.5 T Kozmikus sugárzás trigger „Forward” detectorok • PMD • FMD, T0, V0, ZDC Specializált p detektorok • HMPID • PHOS
Központi nyomkövető rendszer MUON Spektrométer • ITS • elnyelő anyagok • TPC • nyomkövető állomások • TRD • trigger kamrák • TOF Point 2 • dipól mágnes 2007 Aug. 17, HTP-2007 Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába 42
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
43
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
44
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
45
Magyar aktivitás az ALICE együttműködésben (1996(1996-2002) DAQ - DDL: központi adatgyűjtő rendszer - Dénes E., E Kiss T T., Rubin Gy Gy., Soós Cs Cs. PesTOF Töltött hadronok azonosítása π±, K±, p±, d, ... Fizikai modellek fejl. Pálla á aG G.,, Sziklai S a J J. Zimányi J. Boldizsár L. Harangazó G. G
2007 Aug. 17, HTP-2007
TPC Elektromos tér kialakítása Teszt-mérések Fodor Z.
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
46
Magyar aktivitás az ALICE együttműködésben (2007) DAQ - DDL: központi adatgyűjtő rendszer - Dénes E., E Kiss T T., Rubin Gy Gy., Soós Cs Cs., Tölyhi T. T -
ITS TPC TRD TOF részecske nyomok analízise
HMPID Nagy impulzusú π±, K±, p± azonosítása Off line analízis Off-line Fizikai értelmezés
VHMPID + Trigger Nagyon nagy impulzusú π±, K±, p± azonosítása R&D GEM-labor R&D, GEM labor Szimulációk
Fodor Z.,, Pálla G. M l á L., L Agócs A ó A Molnár A. Boldizsár L., Futó E. Barnaföldi G.G. Varga D. Lévai P. WEB-site Hamar G. Novitzky N.
EMCal Nagy imp h-h korr.
LHC GRID ALICE-VO KFKI RMKI állomás (30 proc., 10 TB, 7/24) 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
47
HMPID: nagy impulzusú töltött h d hadronok k azonosítása ítá A detektor működési elve: ugyanolyan impulzusú, de eltérő tömegű részecske eltérő sebességgel halad, más a Cserenkov-sugárzás nyílásszöge.
töltött részecske
C6F14
7 db modul, 1,5x1,7 m2 → 11 m2 Radiator: 15 mm folyékony C6F14 Tö é Törésmutató: t tó n=1,2989 1 2989 2006: építés, tesztelés befejezése π - K: 1-3 GeV/c 2006/09/13: leengedés az alagútba proton: 2-5 GeV/c 2006/09/20-25: beüzemelés (legelső) Magyar részvétel 2006-ig: 2006 ig: 2007 végétől: gáz-tesztek, hűtési tesztek p+p adatanalízis (PbPb) közreműködés az beüzemelésben elméleti 2007 Aug. 17, HTP-2007 Fodor Z. Bevezetés a nehézionértelmezés fizikába
48
Mért spektrumok
2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
49
rapiditás eloszlások Centrális Pb+Pb 7% (20-80 AGeV) 5/10% (158 AGeV) NA49
Rapidítás: relativiszikusan invariáns sebesség 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
50
pt-eloszlások 30 AGeV
2007 Aug. 17, HTP-2007
20 AGeV
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
51
Rendelkezésre álló energia 2007 Aug. 17, HTP-2007
Fodor Z. Bevezetés a nehézion fizikába
52
