forró nyomon az ősanyag nyomában Csörgő Tamás MTA KFKI RMKI

Magyarok Amerikában -

forró nyomon az ősanyag nyomában Csörgő Tamás

MTA KFKI RMKI •Bevezető Motiváció Kisérletek

Elméleti alapok •Eredmények – Új jelenség – Új anyag – A legforróbb anyag: tökéletes folyadék – Mi folyik itt ?

“Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

1

Csörgő Tamás, MTA KFKI RMKI

A Nagy Bumm • Az anyag felépítése: • Molekulák, atomok → Elektronok, protonok, neutronok

→ Kvarkok, gluonok

• Korai univerzum: forró, táguló rendszer • Kvark-gluon anyag • Hűlés → kifagyás • Ma: ‘fagyott anyag’ • Fagyott világ hasonlata


2


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? “Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

3


Relativistic Heavy Ion Collider • RHIC: Relativisztikus nehézion ütköztető •Két koncentrikus gyűrű, metszéspontokon ütközések •Nyaláb: p, d, Cu, Au; Tömegközépponti energia: 20-500 GeV/nukleon •4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS (Veres Gábor), STAR

• Magyar intézményi részvétel a PHENIX-ben:

•KFKI: Csörgő T., Hidas P., Nagy M., Ster A., Sziklai J., Vértesi R., Zimányi J. •ELTE: Kiss Á., Csanád M., Deák F. •DE: Tarján P., Imrek J., Veszprémi V. •BNL: Dávid Gábor

Elindított fejlesztési programok:


4


A RHIC működéséről


5


Elméleti alapok • Elméleti keret: Standard Model • Stabil elemi részecskék: elektron, proton, (neutron) • A protonnak és neutronnak (kvark) szerkezete van:

A kvarkok további, instabil részecskéket alkothatnak (~2000 ismert közülük, élettartamuk: ~10-6 - 10-23 sec) Barionok: 3 kvark kötött állapotok Mezonok: kvark-antikvark állapotok “Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

6

Egzotikum: Pentakvark ? Csörgő Tamás, MTA KFKI RMKI

A részecskék Standard Modellje Elektron: elemi részecske Proton, neutron, hadronok nem azok  kvarkok

t

up

charm

top

d

s

b

down

strange

bottom

e

m

t

electron

muon

tau

ne

nm

nt

electron neutrino

muon neutrino

g gluon

g

gyenge

c

erős

u

elektro-mágneses

leptonok

kvarkok

Három kölcsönhatás, közvetítő bozonok

foton

Z Z bozon

W

tau neutrino

W bozon

Erős, gyenge, elektromágneses töltés Erős töltés: szín  QCD: kvantum-szín-dinamika “Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

7


Az Ősanyag nyomában ... Alapkutatás: • Elméleti igény: az erősen kölcsönható anyag halmazállapotainak vizsgálata a jelenleg elérhető legmagasabb hőmérsékleteken (gyorsító energiákon). • Az erősen kölcsönható anyag halmazállapotai. A 2004-es fizikai Nobel-díj: az erős kölcsönhatás aszimptotikusan szabad -> a kvarkok és gluonok gáz halmazállapotú, igen forró kvarkgluon plazmát alkotnak - ez az elméleti várakozás. • Kísérleti feltételek: szupravezető mágnesek, nehézionok szemből ütköztetése, pénzügyi elkötelezettség (1 milliárd USD főleg USA és Japán + egész világ vezető országai).

Jelenlegi élvonal 2 nagy gyorsítónál: • BNL(Amerika): 2000-től, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) • CERN(Európa): 2008/2009-től, Large Hadron Collider (LHC) “Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

8


Az erős kölcsönhatás halmazállapotai Hőmérséklet > Tc: Kvark Gluon Plazma. Új halmazállapot(ok?) Az erős kölcsönhatás aszimptotikusan nagy energiákon szabad (2004-es Nobel díj, D. J. Gross, H. J. Politzer, F. Wilczek) -> gáz? Z. Fodor, S.D. Katz: Tc = 176±3MeV MeV ~ 2 terakelvin (hep-ph/0511166) hadronok -> kvark-gluon plazma(?)

Tc


9


Forró nyomon: RHIC kísérletek • Gyorsító adatok: körív: tkp energia: sebesség: felhasznál: nyalábok: luminozitás: előállít: hőmérséklet: alapanyag: üzemel:

3.8 km 19-200 AGeV 99.995% c protonok, deutérium, réz és arany atommagok 2 szembe nyaláb, mindegyik 120 „csomag”-ban 2 x 1026cm-2 s-1 (Au+Au, 106 ns átfedésekkel) több ezer új részecskét ütközésenként > 2 trillió K (igen forró nyomon!) 20 év alatt 1 gramm arany 2000-től

LHC (CERN)

2008 (p+p)/2009 (Pb+Pb)-től

körív: energia:

27 km (LEP átalakítva) 14 ATeV

(korábban:

fix target, SPS: Ecms ~ 17 AGeV Pb+Pb)


10


PHENIX • • • •

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


11


1. mérföldkő: új jelenség

• Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján

• Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerző: Ster András • A munka dandárját BNL csoport végezte, Dávid Gábor, a brookhaveni magyar vezetésével “Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

12


Mitől csökken a részecskesugarak energiája? Kezdeti feltétel?

gluonok összenyomódása

Új anyag?

elnyelés közegben

Hogy tegyünk különbséget? Kapcsoljuk ki a közeget  d+Au ütközések (2003)


13


A frontális Au+Au ütközésekben nyelődik el a legjobban a részecskesugár (PHENIX, PHOBOS) Au + Au

Final Data

d + Au ellenpróba

Preliminary Data

• Au+Au és d+Au ellenpróba eredménye: Drámai különbség és ellentétes függés az ütközés frontálisságától • A részecskesugarak elnyelődése a frontális Au +Au ütközésekben a legerősebb, a keletkező új anyag miatt lép fel.


14


A STAR kisérlet a RHICnél Brazil: Universidade de Sao Paulo Russia: MEPHI - Moscow LPP/LHE JINR - Dubna IHEP - Protvino

China: IHEP – Beijing IMP - Lanzou IPP – Wuhan USTC SINR – Shanghai Tsinghua University

U.S. Laboratories: Argonne Berkeley Brookhaven

Great Britain: University of Birmingham

U.S. Universities: UC Berkeley UC Davis UC Los Angeles Carnegie Mellon Creighton University Indiana University Kent State University Michigan State University City College of New York Ohio State University Penn. State University Purdue University Rice University Texas A&M UT Austin U. of Washington Wayne State University Yale University

France: IReS Strasbourg SUBATECH - Nantes Germany: MPI – Munich University of Frankfurt India: IOP - Bhubaneswar VECC - Calcutta Panjab University University of Rajasthan Jammu University IIT - Bombay VECC – Kolcata Poland: Warsaw University of Tech. “Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

15


STAR: Szögeloszlások és kifutó-befutó sugárpárok

pedestal and flow subtracted “Kifutó” irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik “Befutó” irány: Au+Au ütközésben elnyelődés, p+p és d+Au - nincs ez

A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon “Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

16


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


17


Eredmények V2 - elliptikus folyás

 y

z x

dn/d ~ 1 + 2 v2(pT) cos (2 ) Kollektiv mozgás (hidrodinamika) jele.

Az adatok hidrodinamikai képben értelmezhetőek a 2000 MeV alatti pt tartományban.

M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. http://arXiv.org/abs/nucl-th/0512078 “Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

18


3. mérföldkő: 2005 vezető fizikai híre Amerikai Fizikai Intézet: 2005 legfontosabb eseménye!

PHENIX: 3x AIP Top Physics Story RHIC első éveit összegző cikkek: Top Physics Story #1 2005 “Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

19


Analógia RHIC tűzgömb  Nap • • • •

Core Halo T0,RHIC ~ 210 MeV Tsurface,RHIC ~ 100 MeV


   

20

Sun Solar wind T0,SUN ~ 16 million K Tsurface,SUN ~6000 K


Tökéletes folyadék? ! Tökéletes ≠ ideális! Tökéletes: elhanyagolható viszkozitás és hővezetés Ideális: összenyomhatatlan

Viszkozitás h: nyíróellenállás mértéke Alacsony viszkozitás  Nagy hatásk.m.  Erős csatolás Lényeges mérőszám: kinematikai viszkozitás AdS/CFT megfeleltetés:

h

hep-th/9711200, gr-qc/0602037, hep-th/0405231

Viszkozitás-mérés: nucl-ex/0609025, arxiv:0704.3553,

s



4

h s

nucl-th/0606061, nucl-ex/0611018

h s

 (1.8  0.6  1.2)

4

A jelenleg ismert legforróbb anyag:

Folyadék halmazállapotú Az eddig előállított legtökéletesebb folyadék


21


Allegória és költészet a fizikában

Nehézionok: Új anyagot szétcsapó, Öklelő bikák. A Nobel díjas fizikus, T. D. Lee verse, Csörgő Tamás forditásában (Magyar Tudomány, 2005)


22


A PHENIX együttműködés


23


forró nyomon az ősanyag nyomában Csörgő Tamás MTA KFKI RMKI

Recommend Documents