1 Fizyka relatywistycznych zderzeń ciężkich jonówCzęść I: Motywacja Cele fizyczne Akceleratory & Eksperymenty Eksperyment PHOBOS przy akceleratorze RHIC Aparatura Selekcja przypadków Część II: Eksperyment PHOBOS przy akceleratorze RHIC Plany na przyszłość Przegląd wyników doświadczalnych 30 marca 2007 Barbara Wosiek
2 Badanie silnie oddziaływującej materii w ekstremalnych warunkachGorąca i/lub gęsta materia Między-dyscyplinarny charakter badań: Fizyka cząstek elementarnych Fizyka jądrowa Astrofizyka Kosmologia 30 marca 2007 Barbara Wosiek
3 Chromodynamika KwantowaIn probing ever-shorter distances within the nucleon, at what point hadron based description give way to a more fundamental q-g based description? There is no other forces in nature, so the nucleon is indeed white only if seen from infinity, from the distance of few fermis it is almost white but some color it still has. However nobody calculated the deuteron mass from the QCD lagrangian. It is in analogy to the van der Waals forces; atoms are bind into molecules although they are neutral, by the residual electromagnetic force. Czy resztkowe oddziaływanie silne jest pewnym przybliżeniem kwarkowo-gluonowej teorii QCD? 30 marca 2007 Barbara Wosiek
4 Dwa oblicza silnych oddziaływańResztkowe oddziaływanie silne - Konwencjonalna fizyka jądrowa deuteron może być łatwo rozbity na dwa nukleony p p Fundamentalne oddziaływanie silne-QCD swobodne kwarki nie wystepują u Residual: nuclei are held together by exchanging mesons between nucleons Fundamental:nucleons are held together by exchanging gluons between quarks Nucleons and quarks are very different. d u Nukleony i kwarki są bardzo różne!! 30 marca 2007 Barbara Wosiek
5 Dlaczego kwarki i gluony są takie ‘inne’?Kwarki i gluony są ‘kolorowymi’ obiektami! Kolor jest trochę bardziej skomplikowanym ładunkiem u u u Kwarki mają pojedynczy kolor … Gluony mają kolor i anty-kolor 2 (3) point-like valence quarks. The strong interactions induce additional gluons and a sea of virtual quark-antiquark pairs. The nature of the strong interactions inside the hadron and the relative contributions of various types of valence and sea quarks, as well as gluons, to the hadron’s overall properties have become major topic of research. u q u Mezony & bariony są ‘białe’ (RBG lub R+(anty-R), etc.) q d q u u q 30 marca 2007 Barbara Wosiek
6 QCD: dwie szczególne własnościUwięzienie (tylko jakościowe zrozumienie) Gluony oddziaływują zarówno z kwarkami, jak i z innymi gluonami. Siła stałej, nawet dla r ! VQCD ~ -a/r + r Tym silniejsze jest oddziaływanie między kwarkami im bardziej chcemy je odseparować, tak jak by były związane gumową liną. Pulling quark-antiquark apart by adding energy to the system creates two qqbar pairs, not two free quarks. Pulling proton apart only leads to more hadrons. It is energetically favorable to do so. We call this string Breaking (Lund model of hadronization). Probing the structure in DIS and Drell-Yan processes (qqbar->l+l-). Rozpraszanie głęboko-nieelastyczne (DIS): pojedynczy kwark zostaje ‘kopnięty’ przez wirtualny foton o dużej energii (aby penetrować małe odległości) hadrony Z próżni powstają pary kwark-antykwark. 30 marca 2007 Barbara Wosiek
7 QCD: dwie szczególne własności (c.d.)Symetria chiralna mq = 0 QCD i próżnia QCD są symetryczne Lagranżjan jest niezmienniczy względem transformacji lewa-prawa (Równanie Dirac’a ma dwa niezależne składniki – SUL(2) i SUR(2)) ALE Próżnia QCD nie jest chiralnie symetryczna! Wartość oczekiwana kondensatu kwark-antykwark jest różna od zera.
8 ODDZIAŁYWANIA (wzbudzone stany QCD)Symetria chiralna Symetria chiralna (c.d.) ODDZIAŁYWANIA (wzbudzone stany QCD) Małe gęstości energii: Kwarki dostają duże masy (‘constituent masses’) w wyniku oddziaływań między sobą i z otaczającą próżnią. (mu~md~300 MeV, ms~500 MeV) Złamana symetria chiralna! Duże gęstości energii: Kwarki (partony) stają się swobodne, ich masy (‘current masses’) maleją. (mu~md~5 MeV, ms~150 MeV)
9 Dwa obszary stosowalności QCD“Perturbacyjna QCD” (pQCD) Małe odległości, mała stała sprzężenia S Dokładne rachunki mogą być robione Dobrze zdefiniowana dla kwarków i gluonów (nazywanych “partonami”) Asymptotyczna swoboda Q2 > 1 GeV u “Nieperturbacyjna QCD” (npQCD) Duże odległości, duża stała sprzężenia S Ekstremalnie trudne obliczenia Stosuje się do cząstek występujących w naturze (“hadrony”) Uwięzienie Short distances: separation between the two quarks << than the size of the hadron < 1fm; Asymptotic Freedom. However the particles we observe in nature are in the regime of non-perturbative QCD. d u Q2 << 1 GeV 30 marca 2007 Barbara Wosiek
10 Próżnia QCD Niska gęstość energii: próżnia zachowuje się jak kolorowyMa skomplikowaną strukturę wewnętrzną – nie jest pusta Składa się z morza kondensatów qq Ma energię i masę Fluktuuje wokół punktu zerowego Niska gęstość energii: próżnia zachowuje się jak kolorowy dielektryk Wysoka gęstość energii: kondensaty próżniowe rozpuszczają się, próżnia staje się kolorowym przewodnikiem. To jest plazma kwarkowo-gluonowa, QGP! 30 marca 2007 Barbara Wosiek
11 Fazy zwykłej materii - - - + + - - - plazma stała ciekła gazowapodgrzewaj + - - stała ciekła gazowa - Gaz elekronowy Oddziaływania elektromagnetyczne są odpowiedzialne za stany fazowe zwykłej materii. Electromagnetic interactions determine the phase structure of normal matter. Plasma the 4th state of matter. Gas of atoms -> add heat ->electromagnetic plasma (nuclei are stripped Of electrons forming an electron gas). If you can’t heat atoms, compress them. There is some analogy between the transition from a neutral atomic gas to the ionized plasma and That from a hadronic matter to the QGP. In both cases as the temperature/density of the system rises the basic degrees of freedom change. However, in spite of the fact that neutral atomic gas and the completely Ionized plasma have very distinct features, no phase transition boundary separates them, and the process Of ionization is a very gradual one (smooth crossover). 30 marca 2007 Barbara Wosiek
12 Fazy materii silnie oddziaływującejAnalogiczne stany do stanów zwykłej materii! Jądra zachowują się jak ciecz Nukleony zachowują się jak gaz Plazma kwarkowo-gluonowa “Jonizacja” nukleonów przez podgrzewanie “Kompresja” nukleonów , zwiększanie gęstości QCD predicts that the transition from HG to QGP is a sharp one, accompanied by a rapid increase of the entropy density corresponding to the liberation of quark and gluon degrees of freedom. MuB-baryochemical potential, measures how much energy it costs to add a baryon to the system. Normal nuclear matter is cold and has muB about 920 MeV. Phase diagram: temperature and density at RHIC/LHC are close to that of the Early Universe, while those at the AGS And SPS occur at higher baryon densities. Loquid to gas phase transition in nuclei at rho < rho_0 and T ~ MeV – in low energy heavy ion Collisions. Rho_0 = 0.16 nucleons/fm^3. Color superconductor-quark Cooper pairs(qq) are produced through a process similar to ordinary superconductivity. Neutron star – R=10km, M=1.5MSun, density = 10rho_0, QGP at the core of the star,compression of the matter by the gravitational force. 30 marca 2007 Barbara Wosiek
13 Czego się nauczyliśmy? QCD jest bardzo bogatą teoriąOddziaływania jakościowo zależą od skali Duże długości fal – hadrony, npQCD Małe długości fal – partony, pQCD Uwięzienie – brak swobodnych partonów Próba uwolnienia partonu prowadzi do jego hadronizacji Teoretycznie niezrozumiała – tylko modelowo Jak możemy badać i rozumieć QCD? 30 marca 2007 Barbara Wosiek
14 Jak i gdzie badać gorącą i gęstą materię?Wielki Wybuch Szansa minęła… QCD na sieciach Gwiazdy neutronowe Kto chce czekać?… RHIC 30 marca 2007 Barbara Wosiek Relatywistyczne zderzacze ciężkich jonów
15 Temperatura w czasie ewolucji WszechświataT ~ 150 MeV ~ 1012 K 1 eV = 11,600 K 30 marca 2007 Barbara Wosiek
16 Odkrycie gwiazdy kwarkowej?In 2002, NASA announced the discovery of such a star, based on results from their space telescope the Chandra X-ray Observatory. The star, called RX J , is about 360 light years from Earth. Central densities are estimated to be higher than in neutron stars. April 8, 2002 April 8, 2002 Neutron star – R=10km, M=MSun, density = 10rho_0, QGP at the core of the star. Niestety, nowe (poprawne) pomiary promienia dały wartość 15 km, a nie jak początkowo twierdzono 4 km…!!! 30 marca 2007 Barbara Wosiek
17 Rachunki QCD na sieciachPrzy pomocy potężnych komputerów (Teraflop)-można sztucznie symulować gorącą i gęstą materię i badać jej własności. Rachunki na sieciach przewidują przejście fazowe do stanu złożonego ze swobodnych kwarków i gluonów. The only method to compute thermodynamic variables in QCD. Predicts a QCD phase transition to a deconfined phase with chiral symmetry restored. The order of the phase transition is not certain (1st-sudden rapid transition with a latent heat released; 2nd latent heat=0, or a smooth cross over like ionization of the atomic gas. Boxes – blue RHIC regime, green – SPS regime. EpsSB- Stefan-Boltzman. 30 marca 2007 Barbara Wosiek
18 QCD: przewidywania dla zderzeń A+ARachunki QCD na sieciach: Gwałtowny wzrost gęstości energii, (T) przy temperaturze Tcrit = 191 8 MeV crit = 0.7 0.2 GeV/fm3 Wzrost gęstości energii jest związany ze wzrostem liczby stopni swobody Materia istnieje w dwóch różnych fazach powyżej i poniżej Tcrit, crit . 20% Zmienne termodynamiczne osiągają 80% wartości charakterystycznej dla idealnego gazu nieoddziaływujących cząstek (granica Stefan-Boltzmann’a). Kreacja nowego stanu materii, tzw. Plazmy Kwarkowo-Gluonowej (QGP), złożonego ze swobodnych kwarków i gluonów 30 marca 2007 Barbara Wosiek
19 Zderzenia ciężkich jonówLorentz’owsko skrócone jądra Ciężkie jądra zderzają się z prędkością 99.99% prędkości światła ~400 szybkich p i n Twarde Zderzenia pQCD! Dynamika Partonów Dynamika Hadronów Mezony i bariony to zawsze końcowe stopnie swobody. ~6000 naładowanych hadronów Materia QCD ? Kwarki i gluony są odpowiednimi stopniami swobody. Heating the matter by depositing large amount of energy into some volume. In the first stage, the two colliding nuclei penetrate each other. The quarks and gluons composing the nuclei Collide and transfer a large amount of energy from the projectile to the vacuum, this stage lasts for about 3x10^-23 s. Next: from the energetic hard collisions among the quarks and gluons, additional q and g Are produced, these together with the initial ones undergo a cascade of further collisions, which slows down Or stops the nuclei – pQCD applies here: the calculations predict very high initial temperatures, 2-3 times that Require for deconfinement, and copious gluon production. These gluons should thermalize, sharing their energy Equally among themselves. This process would produce a QGP. The hot and dense stage lasts only about 3 times Longer then the interpenetration stage. The hot and dense plasma then cools and expands, and below the deconfinement temperature and density the q and g condense into a gas of hadrons; the hadronization is expected To take place around 10 t0 30 x 10^-24 sec after the nuclei began to collide. The hadrons scatter from one another, Maintaining the pressure and causing further expansion and cooling. Eventually, the system is sufficiently dilute that the hadrons cease colliding and travel outward without further disturbance. New results from HERA e-p collider show an abundance of gluons carrying a small fraction of the nucleon momentum. These results indicate that in addition to the quark collisions, an even larger number of collisions Among gluons will occur at RHIC, causing a hot gluon gas to be formed. A hot gluon gas has never before Been created, and RHIC offers the first glimpse of such matter. T ~ 2x1012 K, p ~ 5x1021 atm. ALE: Czy te niezwykle gwałtowne zderzenia nauczą nas czegoś? t ~ sek., V ~ ltr. 30 marca 2007 Barbara Wosiek
20 Główne cele QGP: Silnie oddziaływujące układyCzy QCD jest mniej skomplikowana przy wysokich temperaturach i gęstościach? Jak wygląda diagram fazowy QCD? Czy rachunki na sieciach zgadzają się z obserwacjami? Silnie oddziaływujące układy Czy rozumiemy ewolucję systemu tworzonego w wyniku zderzenia ciężkich jonów? Czy na podstawie obserwacji stanu końcowego zrozumiemy co działo się we wczesnym etapie zderzenia? 30 marca 2007 Barbara Wosiek
21 Sygnały formacji plazmy kwarkowo-gluonowejSygnatura Badany proces Eksp. obserwacje Globalne własności Gęstość stanu początkowego Krotności produkowanych cząstek, gęstość energii Tłumienie produkcji mezonów wektorowych J/, (upsilon) Cieniowanie par cc przez otaczające kwarki Tłumienie prawdopodobieństwa produkcji J/ Wzmocnienie produkcji powabnych cząstek Fuzja gluonów na pary cc Energetyczne pojedyncze leptony, pary leptonów, rozpady mezonów D Emisja termicznych , i l+l- Anihilacja par qq Pary leptonów o niskich energiach, nisko-energetyczne fotony 30 marca 2007 Barbara Wosiek
22 Sygnały formacji plazmy kwarkowo-gluonowejSygnatura Badany proces Eksp. obserwacje Masy mezonów Przywrócenie symetrii chiralnej dla i mezonów Modyfikacje szerokości i kanałów rozpadu Wzmocniona produkcja dziwności Produkcja dodatkowych dziwnych kwarków w plaźmie. Zwiększona krotność mezonów i barionów zawierających dziwne kwarki. Straty energii q/g w gęstym ośrodku ( jet quenching) Własności ośrodka przez który przechodzą q/g. Spadek produkcji jetów o dużych pędach. Zachowanie kolektywne Czy stan QGP jest w równowadze termicznej ? Krotności hadronów Anizotropie azymutalne 30 marca 2007 Barbara Wosiek
23 Sygnały formacji plazmy kwarkowo-gluonowejSygnatura Badany proces Eksp. obserwacje Fluktuacje w rozkładach produkowanych cząstek Krople plazmy Struktura w rozkładach kątowych hadronów Czas emisji hadronów Hadrony emitowane powoli jeżeli czas życia fazy mieszanej jest długi Korelacje dwucząstkowe, pomiary interferometrii HBT. Występowanie fluktuacji izospinowych Przywrócenie symetrii chiralnej (gwałtowne) Nietypowy stosunek naładowanych do neutralnych nisko-energetycznych pionów. 30 marca 2007 Barbara Wosiek
24 Akceleratory ciężkich jonówAkcelerator Kiedy Wiązka Elab/A(maks.) sNN [GeV] [GeV] Eksperymenty ze stałą tarczą AGS(BNL) Au SPS(CERN) Pb Eksperymenty z przeciwbieżnymi wiązkami RHIC(BNL) Au+197Au 20, LHC(CERN) Pb+208Pb 15x 30 marca 2007 Barbara Wosiek
25 Zderzenia ciężkich jonów przy najwyższych energiach akceleratorowychEnergie osiągane w akceleratorach ciężkich jonów (w układzie środka masy nukleon-nukleon): A sNN Au+Au at BNL-AGS – 4.8 GeV Pb+Pb at CERN-SPS – GeV A Au+Au at BNL-RHIC – GeV Pb+Pb at CERN-LHC GeV 30 marca 2007 Barbara Wosiek
26 Relativistic Heavy Ion Collider – BNL,USA RHICGold ions from the pulse sputter ion source (Q=-1) go trough the stripper to the Tandem Van de Graaff accelerator (q=+14, 1MeV/u and proceed to the booster (72 Mev/u) another stripper (Q=+77) and the AGS, where get accelerated to 10 GeV/u and fully stripped of electrons (Q=+79), bunches of ions (~10^9) each are extracted From the AGS and transferred through the Transfer Line to each of the two collider rings. Up to 57 bunches are injected into each of RHIC’s rings, where they circulate in opposite directions. With each ring filled, the ion beams are accelearated in a matter of minutes to a top energy from 100 to 250 GeV per nucleon depending on the ions being accelerated. At that energy, the ions coast for ~10 hrs around the two rings, held in stable orbits by the force of superconducting magnets. At four of the intersection points where the two beams cross thousands of collisions will take place each second. Two more intersection points are potentially available for future experiments. Rhic can be also used to study the collisions of polarized protons (protons with the spins aligned in a given direction), which would be initially accelerated in Brookhaven’s Proton Linear Accelerator (Linac) before being injected into the Booster. 30 marca 2007 Barbara Wosiek
27 RHIC – Podstawowe parametryUkład: Dwa nadprzewodzące pierścienie +istniejący kompleks (AGS) do wstępnej akceleracji. Wiązki Au p Energia/wiązkę –100 GeV/A max. 250 GeV Natężenie wiązki Liczba pęczków Świetlność[cm-2 s-1] x Czas przecięcia pęczków ns Magnesy nadprzewodzące (D-4T, Q-72T/m) Obwód km Ilość zużytego Au g w ciągu 20 lat Koszt M$ RHIC magnets (arc dipoles, insertion dipoles,arc and insertion quadrupoles, trim quadrupoles, sextupoles, and Corrector magnets). 30 marca 2007 Barbara Wosiek
28 LHC – Podstawowe parametry Large Hadron Collider, CERNUkład: Dwa nadprzewodzące pierścienie +istniejący kompleks (PS/SPS) do wstępnej akceleracji. Wiązki Pb p Energia/wiązkę TeV/A TeV Natężenie pęczków Liczba pęczków Świetlność [cm-2 s-1] x Czas przecięcia pęczków ns ns Magnesy nadprzewodzące (D-8.3T, Q-223T/m) Obwód km Koszt 103 M CHF RHIC magnets (arc dipoles, insertion dipoles,arc and insertion quadrupoles, trim quadrupoles, sextupoles, and Corrector magnets). (magnetic field T, gradient of the field T/m) 30 marca 2007 Barbara Wosiek
29 Ludzie RHIC-Eksperyment Uczestnicy STAR ~400 PHENIX(3kT) ~450>1000 osób z całego świata uczestniczy w eksperymentach RHIC RHIC-Eksperyment Uczestnicy STAR ~400 PHENIX(3kT) ~450 BRAHMS + pp2pp ~60 PHOBOS ~70 Star 70M$, Phenix, 70M$,phobos 7M$, Brahms 7M$, ALICE 120 MCHF LHC-Eksperyment Uczestnicy ALICE ~ 900 ATLAS ~1500 CMS(16kT) + TOTEM ~2000 LHC-B ~ 600 Ok uczestników 30 marca 2007 Barbara Wosiek
30 Eksperymenty: RHIC @ BNL30 marca 2007 Barbara Wosiek
31 RHIC Eksperyment: STAR Solenoidal Tracker At RHICB = 0.5 T Duża akceptancja dla hadronów (2000 cząstek/przypadek) Pomiary pędu, ładunku, masy Precyzyjny opis stanu końcowego (inkluzywny i przypadek po przypadku) About the size of the house. SVT-Silicon Vertex Tracker, ||<1 Cylindryczna TPC (L=4m, D=2m), ||<1.7 Przednia TPC 2.5 < || < 4 E-M Kalorymetr (w budowie) TOF 30 marca 2007 Barbara Wosiek
32 RHIC Eksperyment: PHENIX Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment3 magnesy: centralny (e,h) przedni & tylny () 2 centralne spektrometry || < 0.35 Si MVD, DC, PC, TEC, ToF, RICH, EMC 2 spectrometry mionowe 1.1 < || < 2.4 Axial field magnet for the central spectrometer (East and West arms), each covers 90 deg. In phi and +/ in eta. Tracking chambers: drift chambers, pad chambers and time-expansion chambers; two forms of electromagnetic calorimetry (PbSc, PbGl), PID by ToF hodoscope and RICH counters. Two sets of Beam-beam counters eta = North and South muon spectrometers (3 stations of cathode strip chambers for muon tracking,, and five layers of Iarocci tubes interleaved with iron absorber for muon identification). Each muon spectrometer contains a magnet that produces a roughly a radial field. Pomiary fotonów, leptonów i hadronów ‘Twarde’ sygnały: hadrony o dużych pT i o, e & (charm), bezpośrednie Największy i najbardziej skomplikowany eksperyment w RHIC 30 marca 2007 Barbara Wosiek
33 RHIC Eksperyment: BRAHMS Broad RAnge Hadron Magnetic SpectrometersTPC display BRAHMS -0.1 < < 1.3 30o < < 95o Jedyny eksperyment, który bada produkcję cząstek o małych kątach emisji Spektrometry mają dużą zdolność rozdzielczą i dobrą identyfikację cząstek Badanie hamowania protonów Two movable magnetic spectrometers. MRS: two TPC, dipole magnet D5 and ToF at 4.3 m, gas cer counters not Used. FS: 4 dipole magnets D1-D4, two TPC-T1,T2, 3 drift chambers modules T3,T4,T5; PID two ToF hodoscopes H1 and H2, threshold cerenkov counter C1, and RICH. Multiplicity detector combination of Si and scintillator tiles + Beam-beam counters 1.3 < < 4.0 2.3o < < 30o POLSKA-UJ 30 marca 2007 Barbara Wosiek
34 RHIC Eksperyment: PHOBOS A moon of MARS (a Modular Array for Rhic Spectra)POLSKA-IFJ 30 marca 2007 Barbara Wosiek
35 Zderzenia pp przy energiach SPS-CERNUA1, 900 GeV proton s = 200, 546, 900 GeV anty-proton Produkowana liczba cząstek ~kilkadziesiąt 30 marca 2007 Barbara Wosiek
36 Zderzenia Au+Au przy energiach RHICsNN = 130, 200 GeV Au (energia w układzie środka masy nukleon-nukleon) Au Liczba produkowanych cząstek ~kilka tysięcy 30 marca 2007 Barbara Wosiek
37 Aparatura i selekcja przypadkówEksperyment PHOBOS Aparatura i selekcja przypadków 30 marca 2007 Barbara Wosiek
38 Współpraca ARGONNE NATIONAL LABORATORY Birger Back, Alan WuosmaaBROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY Mark Baker, Donald Barton, Alan Carroll, Nigel George, Stephen Gushue, George Heintzelman, Burt Holzman, Robert Pak, Louis Remsberg, Peter Steinberg, Andrei Sukhanov INSTITUTE OF NUCLEAR PHYSICS, KRAKOW Roman Hołyński, Andrzej Olszewski, Adam Trzupek, Barbara Wosiek, Krzysztof Woźniak, Tomasz Gburek MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY Maartin Ballintijn, Wit Busza (Spokesperson), Patrick Decowski, Kristjan Gulbrandsen, Conor Henderson, Jay Kane, Judith Katzy, Piotr Kulinich, Jang Woo Lee, Heinz Pernegger, Corey Reed, Christof Roland, Gunther Roland, Leslie Rosenberg, Pradeep Sarin, Stephen Steadman, George Stephans, Carla Vale, Gerrit van Nieuwenhuizen, Gábor Veres, Robin Verdier, Bernard Wadsworth, Bolek Wysłouch NATIONAL CENTRAL UNIVERSITY, TAIWAN Chia Ming Kuo, Willis Lin, Jaw-Luen Tang UNIVERSITY OF ILLINOIS AT CHICAGO Russell Betts, Edmundo Garcia, Clive Halliwell, David Hofman, Richard Hollis, Aneta Iordanova, Wojtek Kucewicz, Don McLeod, Rachid Nouicer, Michael Reuter, Joe Sagerer UNIVERSITY OF MARYLAND Abigail Bickley, Richard Bindel, Alice Mignerey, Marguerite Belt Tonjes UNIVERSITY OF ROCHESTER Joshua Hamblen, Erik Johnson, Nazim Khan, Steven Manly, Inkyu Park, Wojtek Skulski, Ray Teng, Frank Wolfs 30 marca 2007 Barbara Wosiek
39 Detektor PHOBOS Księżyc MARS’a (a Modular Array for RHIC Spectra)Cerenkov Trigger Counters Time of Flight Counters Octagon Multiplicity Detector + Vertex Detector (Silicon) Spectrometer Detectors (Silicon) Beryllium Beam Pipe Paddle Trigger Counters Magnet (top part removed) Ring Multiplicity Detectors (Silicon) 30 marca 2007 Barbara Wosiek
40 Aparatura Detektory krotności o dużej akceptancji|| < 5.4 Detektory Si: Vertex, Rings, Octagon Dwu-ramienny spektrometr magnetyczny (2T) 0 < y < 2 16 płaszczyzn detektorów Si o dużej segmentacji ToF Pozwala rejestrować rzadkie przypadki Daje najlepszą ogólną charakterystykę przypadku Pomiar hadronów o bardzo małych pędach poprzecznych Dostarcza szybko wyniki 30 marca 2007 Barbara Wosiek
41 Komórkowe detektory krzemoweTypowy schemat Elektronika odczytu IDE VA-HDR1 (chips) 14 cm Duży zakres dynamiczny ( > 100 MIPs) Czas odczytu 1.1 s Rozmiary komórek Si D. oktagonalny: x 8.8 mm2 D. wierzchołka: x (12-24) mm2 D. pierścieniowy: (5x5) - (10x10) mm2 Spektrometr: (1x1) - (0.5x19) mm2 30 marca 2007 Barbara Wosiek
42 137,000 kanałów elektroniki odczytuWszędzie krzem! 137,000 kanałów elektroniki odczytu Oktagon/D. wierzchołka Ramię spektrometru Pierścień 30 marca 2007 Barbara Wosiek
43 Symulacje sygnałów z detektorów SiSygnał z detektora wierzchołka Poprawione na kąt wejścia i 300 m of Si dE dx Znormalizowana energia x0 [keV] Pełne zrozumienie sygnałów z detektora na najbardziej podstawowym poziomie 30 marca 2007 Barbara Wosiek
44 Jednorodność sensorówOktagon 8.5 cm +/- 3% zliczenia Smp= 93 keV sygnał (keV) zliczenia +/- 1% 6.5 cm Pierścienie Smp= 85 keV sygnał (keV) Brak znaczących zmian sygnału dla różnych typów sensorów krzemowych 30 marca 2007 Barbara Wosiek
45 Stosunki sygnału do szumu S/Nno. of days Stosunki S/N lepsze niż planowane 10:1 Większe komórki & ‘dłuższy’ odczyt mniejszy S/N Średni szum w całym detektorze nie zmienia się z czasem 30 marca 2007 Barbara Wosiek
46 Selekcja przypadków 30 marca 2007 Barbara Wosiek
47 Selekcja przypadków Tryger: ‘hardware’ Tryger: ‘software’Czasowe i topologiczne selekcje (np. koincydencje) podczas zbierania danych Tryger: ‘software’ Szczegółowe cięcia na zmiennych czasowych, topologicznych, krotności sygnałów, itp. Selekcja ‘offline’ - rekonstrukcja Wierzchołek oddziaływania – Czy jest to dobry przypadek? Centralność zderzenia – Czy jest to przypadek z dostatecznie małym parametrem zderzenia? 30 marca 2007 Barbara Wosiek
48 Selekcja przypadków PN PP Events Dt (ns)Negative Paddles Positive Paddles ZDC N ZDC P Au Au PN PP Liczniki ‘Paddle’ Dt (ns) Events Kalorymetry ZDC Zderzenie A few words on ZDC and Paddle detectors Koincydencja czasowa (38 ns) pomiędzy licznikami ‘Paddle’ Koincydencje czasowe ‘Paddle’ + ZDC: odrzucenie tła Selekcja 97% nieelastycznego przekroju czynnego dla Au+Au przy sNN = 130/200 GeV 30 marca 2007 Barbara Wosiek
49 Pomiar centralności zderzeniaParametr zderzenia (b) nie jest bezpośrednio mierzony! peryferyczne centralne b b “Spektatory” “Uczestnicy” Zero-degree Calorimeter Paddle Counter “Spektatory” spektatory – badane przy pomocy kalorymetrów 0o uczestnicy – ocena w oparciu o monotoniczną korelację z liczbą produkowanych cząstek 30 marca 2007 Barbara Wosiek
50 Centralność a pomiar cząstek w licznikach scyntylacyjnych (‘Paddle’)Paddle Counters Entries Nch : 3<||<4.5 h Negative Paddles Positive Paddles ZDC N ZDC P Au x z PP PN 30 marca 2007 Barbara Wosiek
51 Założenia monotoniczna relacja (w średniej) pomiędzyX (b,Npart,Nspec,Ncoll) a mierzoną wielkością M (Nch())dX/d M > 0 (lub < 0) dla wszystkich wartości M Określony procent przypadków wybranych z rozkładu dNev/dM powinien odpowiadać X dla tego samego procentu przypadków % (dNch sygnał) % (Npart) Top 6% Top 6% Model 30 marca 2007 Barbara Wosiek
52 Potwierdzenie monotonicznej zależnościDANE (spektatory neutronowe) MC HIJING + GEANT ZDC Paddle sygnał (3<||<4.5) Npart ZDC sygnał vs. Paddle sygnał ZDC Sum (au) centralne peryferyczne Paddle Sum (au) 30 marca 2007 Barbara Wosiek
53 Eksperyment: Błędy systematyczneCałkowity przekrój czynny Ułamek czego? (modele mają poprawną wartość sTOT) RHIC: eksperymenty nie mierzą sTOT Zamiast sTOT,oszacowanie wydajności trygera w oparciu o model (np. HIJING) Systematyczny błąd tego oszacowania wchodzi do ostatecznych wyników. Duży dla małych Npart! 3% niepewności dla TOT 20% niepewności dla Npart Względny błąd (%) Npart 30 marca 2007 Barbara Wosiek
54 Centralność zderzenia: Problemy doświadczalneOszacowanie Npart nie jest trywialne Oszacowanie Ncoll jest jeszcze trudniejsze, ponieważ nie jesteśmy ograniczeni przez 2A, ale przez A2! Krytycznym elementem jest znajomość całkowitego przekroju czynnego Ale nawet teoretycy mają trudności! Rachunki Monte Carlo vs. Przybliżenie optyczne 30 marca 2007 Barbara Wosiek
55 Rachunki GlauberowskieNukleony są rozłożone według funkcji gęstości (np. Woods-Saxon) Nukleony poruszają się po prostoliniowych trajektoriach, i nie zmieniają kierunku przy przejściu przez drugie jądro Nukleony oddziaływają zgodnie z nieelastycznym przekrojem czynnym NN zmierzonym w zderzeniach pp Uczestnicy – liczba nukleonów, które oddziałały (przynajmniej raz) Binarne zderzenia – liczba zderzeń nukleon-nukleon Roy Glauber (Nobel 2005) 30 marca 2007 Barbara Wosiek
56 Całkowity przekrój czynny A+BKonfiguracja przestrzenna Profil (grubość) jądrowy Człon opisujący prawdopodobieństwo oddziaływań Bardzo trudne do wyliczenia. Rozwiązanie -Przybliżenie optyczne: gdzie Słuszne dla dużych A i/lub kiedy NN jest mały. 30 marca 2007 Barbara Wosiek
57 Obliczenie Npart i NcollLiczba uczestników Liczba zderzeń 30 marca 2007 Barbara Wosiek
58 Rachunki Monte Carlo Parametr zderzenia i współrzędne nukleonów generowane przypadkowo ze znanych rozkładów Oddziaływanie zachodzi jeżeli dystans pomiędzy nukleonami d
59 Dlaczego znajomość geometrii zderzenia jest tak ważna?Uczestnicy Spektatory Zderzenia binarne: Produkcja jetów ‘Ciężkie’ zapachy b Zderzenia binarne -Ncoll Model Glauber’a dla AA Npart, Ncoll Wymiana koloru: Produkcja miękkich hadronów Energia poprzeczna Uczestnicy “model zranionych nuklenów - Npart” b (fm) 30 marca 2007 Barbara Wosiek
60 Miękkie procesy vs. Twarde zderzeniasinel=42 mb (RHIC) Glauber Monte Carlo sinel=33 mb (SPS) sinel=21 mb (AGS) ‘miękkie’ ~Npart ‘twarde’ ~Ncoll SPS 98% 2% RHIC 50% LHC K. Kajantie QM2002 Zauważ: <> średnia liczba zderzeń dla jednego zranionego nukleonu (~6 dla centralnych zderzeń AuAu) 30 marca 2007 Barbara Wosiek
61 Wyznaczanie wierzchołka oddziaływaniaSi Detektor wierzchołka counts Dla tego zderzenia: wierzchołek w Z = cm Z cm cm Zdolność rozdzielcza: x ~ 450 m y ~ z ~ 200 m 30 marca 2007 Barbara Wosiek
62 Kontynuacja: Wyniki doświadczalne30 marca 2007 Barbara Wosiek
63 Praca akceleratora RHIC13 June 2000: 1-e zderzenia sNN=56 GeV Seanse fizyczne: Seans I – lipiec/wrzesień Au+Au sNN = 130 GeV Seans II– lipiec/październik 2001 Au+Au sNN = 200 GeV Au+Au sNN = GeV p + p sNN = 200 GeV Seans III– listopad/maj 2002/2003 d +Au sNN = 200 GeV Seans IV– listopad/maj 2003/2004 Au +Au sNN = 200 GeV Au + Au sNN = 62.4 GeV Seans V - listopad/maj 2004/2005 Cu +Cu sNN = 200 GeV Cu + Cu sNN = 62.4 GeV Cu + Cu sNN = 19.6 GeV Run II pp polarization 25% integrated luminosity nb-1. Peak luminosity for Au+Au 5x10^26. Run III; dAu L=2x10^28, integrated 10nb-1/week; pp 2pb-1/week (5 weeks) Lpeak = fREV . M .Na.Nb/(4pisigma-a*sigma-b*); fREV=78kHz, M=no. of bunches; N=ions/bunch; sigma*=RMS of the beam size. 30 marca 2007 Barbara Wosiek