Wolf György (RMKI, Budapest)

Wolf György (RMKI, Budapest)

Tartalom:       

A FAIR részei, tulajdonságai Nagy energiasűrűségű anyag intenziv nehézion- és lézer-nyalábbal Biofizika és anyagkutatások, BIOMAT Atomfizika, fizika alapjai nagytöltésű ionokkal és pˉ-nal, SPARC, FLAIR Magfizika, asztrofizika és reakciók ritka-izotóp-nyalábbal, NUSTAR Hadronfizika antiproton nyalábbal, PANDA Sűritett barion anyag, CBM

Miért kell a FAIR • A SIS18 gyorsító lassan nyugdijba megy • Le nem fedett energiatartomány • Legnagyobb földi barionsűrűség (idővel súlyozva) • Fontos „potyautasok”:

gyorsító cm energia(AGeV) SIS

1.95-2.7

AGS

3.3-5.8

FAIR

4.3-7.7

SPS

8.9-19

RHIC

20-200

LHC

5500

részecskefizikától biofizikáig

• PHELIX: Petawatt lézer • Szeretem Darmstadtot

GSI látképe, jobbra a tervezett új komplexus

Öt kutató közösség a FAIR-en elsődleges nyaláb •proton: 4∙1013/ciklus 35 GeV-en • 90 GeV max. energia • 238U28+: 3∙1011/s 1.5-2 GeV/u-n • 238U92+: 2∙109/s 35 AGeV-nél • ( 45 AGeV for Z=A/2)

SIS 100/300

CBM HADES HESR

Ritka-izotóp keltés

Hadron fizika antiprotonokkal 1011: 0.8-15 GeV Plazma fizika: x600 higher magasabb target energia-sűrűség 600kJ/g

gyorsító technikai kihívásai •Rövid periódusidejű szupravezető mágnes •nagy energiájú elektronhűtés •dinamikus vákuum, nyalábveszteség

Nehézion-fizika 35-45 GeV/u HI nyaláb, x1000

Super FRS

FLAIR

CRRESR

Antiproton keltés

Magszerkezet & Asztrofizika rádioaktiv nyalábokkal, 1-2 GeV x10 000 intenzitás, kiváló hűtés

NESR

100 m

Extrém EM terek (HI) QED (HI & p) Alkalmazások (HI)

FAIR kutatási programja Rövid-pulzusú nehézion nyaláb: plazma fizika anyag nagy nyomáson, sűrűségen, hőmérsékleten fúzió alapjai

Atomfizika, FLAIR, és alkalmazott kutatások nagytöltésű atomok alacsony energiájú antiprotonok radiobiológia

Ritka-izotóp nyalábok: magszerkezet, nukleáris asztrofizika magszerkezet a stabilitási tartományon túl nucleoszintézis csillagokban és szupernovákban instabil hipermagok

Antiproton-nyaláb: hadron fizika kvarkbezárási potenciál gluonikus anyag és hibridek dupla hipermagok bájos mezonok közegben

Mag-mag ütközések: sűrű barion anyag

barion anyag legnagyobb sűrűségeken (neutron csillagok) fázisátmenet és a kritikus végpont hadronok tulajdonságai közegben, királis szimmetria helyreállása

A FAIR kutatási programja szinte a fizika összes területét érinti

Biofizika és anyagkutatás (BIOMAT)

Nagy intenzitású nehézion nyaláb Biofizika:

sugárzási effektusok: galaktikus kozmikus sugárzás (genetikai öregedés, rák, ...)

Fémek nehézionok indukálta extrém nyomás alatt (geofizika: a Föld kérge és köppenyének felső része)

Anyagok sugárzási ellenállása Optimális sugárzásárnyékolás (pl. űrhajózás)

Rövid és intenzív ion pulzusok új folyamatok, nem megfigyelhetőek standard sugárzási feltételek mellett

Nagy energiasűrűségű anyag (HEDgeHOB) FAIR : tetszőleges ion intenziv, erősen fókuszált nehézion­nyalábja  adagokban 

Nagy energia­sűrűségű anyag

térfogat: ~ 1 cm³ élettartam: ~ 10 ns energia-sűrűség: 600 kJ/g (ma tipikus 1 kJ/g) teljesítmény leadás: 12 Tw/g nehézion nyaláb: jól kontrolált kezdeti állapot

Kutatási Programok: HIHEX, LAPLAS, WDM fémek állapotegyenlete közepes hőmérsékleten (~3 kK°), és nagy sűrűségeken (10 Mbar-ig) (külső tartály fűtése) intenziv ion- és lézer-nyalábok kölcsönhatása forró és sűrű anyaggal sugárzás hidrodinamikája, magneto-hidrodinamika lézer indukált lökéshullámok sűrű anyagban (bolygók belseje) fázisátalakulások (pl. hidrogén fémesedése)

Plazmafizikai vonatkozások

Atom és fundamentális fizika nagy töltésű ionokkal és antiprotonokkal (SPARC, FLAIR) SPARC:Stored Particle Atomic Research Coll. Relativisztikus ionok:elektron, foton, atom ütközések - Doppler-eltolás, eA ütközés erős EM terekben QED: nagy töltésű ionokban, e kötési energiák Atomi struktúra nagy töltésű ionokra (szimmetriák) Ion-atom ütközések

FLAIR:Facility for Low-energy Antiproton and Ion Research Antiprotonos atom és antihidrogén spektroszkópia Antianyag gravitációja Anti HAntiprotonos atomok: neutronbőr vizsgálata Tumor terápia

Doppler effektus relativisztikus ionoknál

Kinagyított Lamb-eltolódás - érzékeny QED teszt (H-szerű urániumra az 1s eltolódás: 466 eV (13)) De 1 eV pontosság kellene!

NUSTAR (Nucl. Structure and Astrophysics) LEB Super FRS Neutron gazdag magok, neutron bőr: - új párosodás, héj struktúrák, kollektiv módusok Alapvető szimmetriák: pl. N=Z magokban Nucleáris asztrofizika HISPEC/DESPEC, MATS,LaSPEC,NCAP,exo-pbar

R3B ILIMA(Isomeric beams, lifetimes and masses) AIC (Antiproton Ion Collider) Proton és neutron-eloszlások

ELISe (electron-ion scattering) Magszerkezet

EXL (Exotic nuclei in Light-ion induced reaction)

Super-FRS nagyenergiájú ága: Teljes kinematikai mérés

Reactions with Relativistic Radioactive Beams p fr.

Exotikus nyaláb a Super-FRS-ből

Széles tartományú mérés

n n Target

Mérések

Nagy felbontású mérés Fizikai célok

 kiütés és kvázi-szabad szórás  electromágneses gerjesztés

egy-részecskés betöltések, spektrál függvények, correlációk, klaszterek, resonanciák a drip-vonalon túl

 töltés kicserélős reakciók

Gamow-Teller erősség, spin-dipól rezonancia, neutron bőr

 hasadás

Héjszerkezet, dinamikai tulajdonságok

 spalláció

reakció mechanizmus, alkalmazások (waste transmutation, ...)

fragmentáció

g-sugár spektroszkópia, izospin-függés multifragmentációban

egy-részecskés betöltések, asztrofizikai reakciók (S factor) lágy koherens módusok, óriás-rezonanciák erőssége, B(E2)

APANDA Program pp annihiláció talán a legjobb reakció bájos hadronok spektroszkópiájában: zkópiájában  Tömegmérés < 100 KeV pontossággal  szélesség meghatározás még nagyon keskeny állapotokra is  Nagy pontosságú, mert csak a nyaláb paramétereitől függ  Bármely kvantumszámú állapot kelthető

• • • •

ηc(1S), ηc(2S), ... tömeg, szélesség, bomlások. Kvarkmodellek tesztje. JPC meghatározása ⇒ szögeloszlás mérése. Szisztematikus feltérképezése a DD- küszöb feletti régiónak. Sugárzási és erős bomlások, pl. ψ(4040)→D*D* (modellek tesztje)

Hibridek és Glueballok

∀π 1(2000) and h2(1950)

Exotic light qq

1-- 1-+ •Spin-exotikus kvantum számok JPC 2 10 amelyek nem lehetnek qq állapotok. •Könnyű mezonok spektruma sűrű, cc mezonok spektruma ritkább ∀π 1(1400) és π 1(1600) with JPC=1-+. 1

• A keskeny 1,5 GeV/c2 (Crystal Barrel) állapot a legvalószínűbb jelölt a glueball alapállapotra (JPC=0++). 10-2

0

2000

Exotic cc

A QCD spektrum több mint amit a kvark modell ad, mert a gluonok is lehetnek hadronok építő kövei. Glueball: tiszta gluonos állapot Hibridek: qqg

4000 2 MeV/c

Charmonium magokban • J/ψ és D hatáskeresztmetszet pannihilációban különböző magokon • D+D- tömeg csökkenése lehetővé teszi charmonium állapotok bomlását ebbe a csatornába: szélesség drámai növekedése ψ(1D) 20 MeV → 40 MeV ψ(2S) .28 MeV → 2.7 MeV

Maganyag sűrítése és hevítése nehézion ütközésben barionok

sűrítés Supernovae robbanás, Neutroncsillagok

hadronok

+

partonok

hevítés = kvark-gluon anyag Korai univerzum

Szupersűrű anyag a természetben: neutroncsillag

F. Weber

Ritka szabadsági fokok? Hadronok közegbeli változása ? Maganyag kompresszibilitása? J.Phys. G27 (2001) 465 kvarkfelszabadulás nagy sűrűségen ?

Diagnosztikus eszközök U+U 23 AGeV

Az erősen kölcsönható anyag fázisdiagrammja

LHC RHIC

SPS

FA

IR

S1 SI 8

RHIC, LHC: nagy T-n és alacsony ρ-n folyamatos átmenet QGP-be Alacsony-energiás RHIC: QCD-CP keresés térfogati jellemzőkkel FAIR: teljes kutatási program ritka mennyiségekkel is

Elméleti módszerek • Termális modellek - kémiai, valamint termikus egyensúly kifagyáskor - főleg kisérletiek módszere • 3-D hidrodinamika: - kezdeti és végállapot nem kezelhető

• Transzport modellek - melyek a releváns szabadsági fokok - nagy nemzetközi együttműködés: lényegében az összes európai műhely összefog egy kód kidolgozására (Frankfurt, Giessen, Nantes, Catania, Budapest)

Barion- és energia-sűrűség Nehézion ütközésekben FAIR energiákon Barion- és energia-sűrűség a centrális cellában (Au+Au, b=0 fm): Transzport model HSD: átlagtér, hadronok + húrok E. Bratkovskaya, W. Cassing

Sűrűségek transzport modelekből J. Randrup, CBM Physics Book, in preparation I.C. Arsene et al., Phys. Rev. C 75 (2007) 034902 barion sűrűség

energia sűrűség

3-folyadék hidrodinamika

Hadron gas EOS:

Y. Ivanov, V. Russkikh, V.Toneev nucl-th/0503088

Compressed Baryonic Matter (sűrű barion anyag): fizikai problémák és megfigyelhető mennyiségek Állapotegyenlet nagy ρ B-nél  hadronok kollektív folyása  részecskekeltés küszöbenergiákon (nyilt bájosság) Felszabadító fázisátalakulás nagy ρ B-n

 ritkaság gerjesztési függvénye, folyása (K, Λ, Σ, Ξ, Ω)  bájosság gerjesztési függvénye, folyása (J/ψ, ψ', D0, D± , Λc  J/ψ és ψ‘ elolvadása, charmonium elnyomás QCD kritikus végpont  eseményenkénti fluktuációk (K/π, töltés, ...) A királis szimmetria helyreállásának folyamata nagy ρ B-n

 hadronok közegbeli módosulása (ρ,ω ,φ →e+e-(μ+μ-), D)

QGP szignatúrák nehézion ütközésekben Quark-Gluon-Plasma: from big bang to little bang Kohsuke Yagi, Tetsuo Hatsuda, Yasuo Miake (2006)

transzverzális impulzus

térfogat

bájosság,ritkaság

antibarionok

fluktuációk

nagy pt hadronok

nehéz kvarkonia

tömeg és szélesség: ρ,ω,φ

Különböző változókban „ugrás”! elliptikus folyás

Mennyire mosódnak el a jelek a hadronizáció folyamán ?

εC Energia sűrűség

termális fotonok és dileptonok

εC

Részecske hozamok és arányok gerjesztési függvénye Transzport modellek: HSD, UrQMD, GiBUU

K /π +

y=0

0.25

+

0.20

0.20

0.15

0.15

E866 NA49 PHENIX STAR BRAHMS, 5% BRAHMS, 10%

0.05 0.00

0

10

1

10

2

10

0.25

3

4

10

+

−

−

0.00

0

10

1

10

2

10

3

10

−

4

10 −

/<π >

0.20

HSD UrQMD

0.15

0.10

0.10

0.05

E866 NA49 PHENIX STAR BRAHMS, 5% BRAHMS, 10%

0.00 0

10

1

10

2

10

3

0.05

10

E866 NA49 BRAHMS, 5%

0.00

4

0

10

0.08

10

1

10

2

10

3

10

4

10

0.08

<Λ+Σ >/<π> 0

(Λ+Σ ) / π 0

0.06

0.06 E877 NA49 STAR

0.04 0.02 0.00

+

E866 NA49 BRAHMS, 5%

0.25

HSD UrQMD GiBUU

0.15

0.05

10

K /π

0.20

Ratios

/<π >

0.10

0.10

A mért adatok nem reprodukálhatóak a hadron-sztring képben => nonhadronos szabadsági fokok?

4π

0.25

E877 NA49

0.04 0.02

0

10

1

10

2

10

3

10

Elab/A [GeV]

4

10

0.00

0

10

1

10

2

3

10 10 Elab/A [GeV]

4

10

QGP vizsgálata charmoniummal Kvarkonium disszociációs hőmérsékletek – Digal, Karsch, Satz

Bájosság: Dissociation (melting) of J/ψ in the QGP ? melting of J/ψ and ψ' ?  bájosság Sequential a QGP biztató szignatúrája  szükséges: gerjesztési függvény J/ψ, ψ', D, ΛC keltésre p+A és A+A ütközésekben (pT-spectrum, folyás) hadronikus reakciók megértése

• nincs végállapoti kölcsönhatás • vektormezonok megváltozása közegben CERES, NA50, NA60, HADES

Dileptons

 Dileptonok (In+In  160 AGeV)

NA60 preciz mérései kizárnak modelleket! Végre egy bizonyíték ρ spektrálfüggvény szélesedésére!

Királis Szimmetria Helyreállása kondenzátum már jelentősen csökken alacsony energián 2-quark condensate

4-quark condensate

SIS 18 SIS 300 SIS 300

SPS

SIS 18

SPS

SIS 18

SIS 300SPS

freeze-out regions J. Wambach et al.

S. Leupold, Trento Workshop 2005

D-mezonok közegbeli módosulása E. Bratkovskaya, W. Cassing

Kísérleti kihívások Centrális Au+Au ütközés 25 AGeV-en: URQMD + GEANT4 160 p 400 π 400 π + 44 K+ 13 K-

 107 Au+Au reakció/sec-ig

(nyaláb intenzitások 109 ions/s-ig 1 % target kölcsönhatás)  vertexek nagy pontosságú meghatározása (≈ 50 µm)  leptonok és hadronok meghatározása

Magyar fizikusok a FAIR programokban Magfizika

HISPEC/DESPEC (High Resolution and Decay Spectroscopy at the Super-FRS)

5 fő

EXL (Exotic nuclei studied in Light-ion induced reactions)

6 fő

R3B (Reactions with Relativistic Radioactive Beams)

6 fő

TOF neutron spektrométer építés (ELENA) EURONS (FP6) segítséggel

Atomfizika

SPARC (Atomic Physics with stored highly-charged heavy ions) 2 fő FLAIR

7 fő Nehézion-fizika CBM

13 fő

FAIR project ára: ~ 1.1 milliárd € (25% külföldi partnerektől).

Ring

Radioactive Antiprotons Dense Ion Beams Nuclear Matter

Plasma Physics

Atomic Physics

Synchrotron SIS100

~5 10¹¹ U ions/pulse pulse compression to 60ns

~5 10¹¹ U ions/pulse pulse compression to 60ns

109 ions/s high duty cycle

Synchrotron SIS300

~3 10¹¹ U ions/s high duty cycle

Collector Ring CR

Fast stochastic cooling Isochronous mass spectrometer for short-lived nuclei

Fast stochastic cooling High acceptance

Accumulator Ring RESR

Fast (1 T/s) deceleration of short-lived nuclei

Accumulation of antiprotons

New Experimental Storage Ring

Fast (1 T/s) deceleration of short-lived nuclei

Fast (1 T/s) deceleration of antiprotons

~4 10¹³ protons/ pulse pulse compression to 60ns

~2 10¹¹ ions/pulse pulse compression to 60ns ~1 109 U ions/s high duty cycle up to 34GeV/u U

laser spectroscopy

Electron cooling Internal target Deceleration and extraction to

Experimental Programs HIHEX (Heavy Ion Heating and Expansion):

cylindrical or plane target (appropriate focusing may reduce the problem to 1 dim.)  heated fast compared to hydrodynamical expansion  the sample isentropically expands, passes through the phase diagram 

LAPLAS (Laboratory Planetary Sciences):

cryogenic target (e.g. solid hydrogen) in cylinder of heavy material (e.g. lead or gold)  outside cylinder is heated, so it expands  inner cryogenic material: cold, and compressed by the outer cylinder 

WDM (Warm, Dense Matter)

dynamical confinement for longer pulses (expansion of the inner material counteracted by the expansion of thin outer material) 

Diagnostics: Thomson scattering, x-ray blacklightning, proton radiography, Petawatt High Energy Laser (Phelix)

Diagnostics Temperature: (blackbody radiation) range: 1 kK° - 60 kK°; time res.: 1 ns; spatial res.: 50µm;

Ionization: K-shell emission spectroscopy

Velocity: (Laser-Doppler interferometry) range: 10m/s-10km/s; spatial res.: 50µm; time res.<1ns

Conductivity: contact, noncontact (optical) Density: ion and proton radiography (multiple Coulomb scatt., nuclear attenuation of the beam)

Opacity:area backlighting Low density plasmas: (temperature, density): Thomson X-ray scatt.

Magyarázatok (HEDgeHOB) HED:High energy Density, WDM: warm dense matter HEDgeHOB: High energy density matter generated by heavy ion beams Laplas: ólom tartályban szilárd hidrogén, tartály fütve, hidrogén nagy nyomáson HIHEX: target térfogatában fűtve WDM dinamikus bezárás: tartály, target egyszerre fűtve, hogy a target térfogata állandó maradjon

Magyarázatok (SPARC) Atomic physics with stored highly-charged heavy ions Stored particle atomic research coll.

QCD fázisdiagram nehézion ütközésekkel LHC RHIC SPS

Kritikus végpont: Z. Fodor, S. Katz, hep-lat/0402006 S. Ejiri et al., hep-lat/0312006 FA J-

Folyamatos átmenet kis μB-n IR

PA R

? C

Rács QCD számolás: TC = 150 - 190 MeV (folyamatos átmenet)

S SI

ε=0.5 GeV/fm3

18

elsőrendű fázisátalakulás