Medium Effekte in der Charm Produktion Ein Blick ins Innere des Quark-Gluon Plasma

1. Medium Effekte in der Charm ProduktionEin Blick ins Innere des Quark-Gluon Plasma

2. Übersicht • Einführung • Hochenergie Kernphysik: wieso, weshalb, warum? • RHIC und seine Experimente • Das Medium am RHIC: Quark-Gluon Plasma? • Schwere Quarks: Sonden für das Medium • Ausgewählte Resultate: • Charm und J/y Produktion bei √sNN = 200 GeV • Proton-Proton Kollisionen: Referenz für nukleare Systeme • Deuteron-Gold Kollisionen: Effekte in kalter Kernmaterie • Gold-Gold Kollisionen: Effekte im heissen Medium • Zusammenfassung • Ein Blick in die Zukunft

3. Was geht uns das an? • Der Stoff aus dem wir Menschen sind: • Organe • Zellen • Moleküle • Atome • Elektronen und Kerne • Protonen und Neutronen • Quarks und Gluonen • Letztere hat Niemand je gesehen! • Die Quarkmasse ist nur ~1 % der Nukleonmasse! • Eigenschaften der starken Wechselwirkung: QCD

4. Was ist das Besondere der QCD? • Quantenchromodynamik QCD • Das QCD Vakuum ist nicht leer! • Die Eichbosonen (Gluonen) tragen Farbladung (im Gegensatz zu Photonen in der QED)! • Farbeinschluss und Massengenerierung haben mit der Wechselwirkung von Quarks und Gluonen mit dem QCD Vakuum zu tun!

5. Eine Lösung der QCD Puzzles? • Der Schlüssel: • Zusammenfügen von Partonen zu Hadronen führt zu • Einschluss von Partonen (Träger von QCD Farbladungen) • „dynamischer“ Generierung von Masse (chirale Symmetrie) • „Einfrieren“ von Freiheitsgraden: Phasenübergang! • Der erste Versuch eines Parton-Hadron Phasen- übergangs war erfolgreich (vor 1010 Jahren)! • Mikrosekunden nach dem Urknall

6. early universe T RHIC & LHC Quark Matter SPS TC~170 MeV AGS SIS Hadron Resonance Gas Color Superconductor temperature Nuclear Matter neutron stars baryon chemical potential 1200-1700 MeV 940 MeV mB Eine Reise zurück in der Zeit • Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie: der ideale QCD Spielplatz • Wie bringt man Kernmaterie in Extremzustände? • mit Gewalt! • relativistische Kern-Kern Kollisionen

7. RHIC • RHIC = Relativistic Heavy-Ion Collider • Standort: Brookhaven National Laboratory • Parameter • zwei unabhängige Ringe • 3.83 km Umfang • Kollisionen von beliebigen Kernen und polarisierten (!) Protonen • Schwerpunktsenergie • bis zu 500 GeV für p-p • bis zu 200 GeV für Au-Au (pro N-N Paar) • Luminosität • p-p : 2 x 1032 cm-2 s-1 • Au-Au: 2 x 1026 cm-2 s-1

8. STAR Experimente am RHIC

9. 2 zentrale Spektrometer • Hadronen • Elektronen • Photonen • Pseudorapidität |h|  0.35 • Impuls p  0.2 GeV/c • 2 Forwärtsspektrometer • Muonen • Pseudorapidität1.2 < |h| < 2.4 • Impuls p 2 GeV/c PHENIX: im Prinzip • 3 Detektoren zur Ereignischarakterisierung • Vertexposition • Zentralität: peripher oder zentral? • Reaktionsebene

10. PHENIX in der Realität

11. Spektroskopie in PHENIX • Spurrekonstruktion und Impulsmessung im Magnetfeld • Driftkammer (DC) • Padkammern (PC) • Identifizierung von Teilchen • Photonen • keine Spur • Schauer im Kalorimeter (EMCAL) • Hadronen • Spur • dE/dx im EMCAL • Flugzeit (EMCAL und TOF Szintillator) • Elektronen • Spur • Cherenkov Licht im RICH • Schauer im Kalorimeter (EMCAL)

12. Eine Au-Au Kollision in PHENIX Animation: Jeff Mitchell, BNL

13. e p g L p K m Jet p cc g f Ausfrieren Expansion Hadronisierung QGP Bildung und Thermalisierung QCD Tests: Farbeinschluss chirale Symmetrie Harte Streuprozesse Au Au Anatomie einer Au-Au Kollision time Zeit Raum

14. p K p J/ p p b ~ 0 p q Au Kern Au Kern cc p p q p p p p p p p e+ p g e- • “harte” Sonden: Jets, cc, direkte g • sehr selten, sehr früh produ-ziert (vor QGP Formation) • durchdringen und wechselwirken mit heissem und dichten Medium Sonden für alle Zeitskalen • Hadronen: p, K, p • häufig, “spät” produziert (beim Ausfrieren) • Energiedichte • Thermalisierung • (kollektives Verhalten) Produktion von einigen Tausend Teilchen pro zentraler Kollision • Elektromagnetische Strahlung: g, e+e-, m+m- • selten, Sonden für alle Zeit-skalen, da starke Endzu- standswechselwirkung fehlt • Schwarzkörperstrahlung  anfängliche Temperatur • In-Medium Eigenschaften von Mesonen  Wiederherstellung der chiralen Symmetrie

15. Kernmaterie: p,n Quark-Gluon Plasma: q, g Nukleonenabstand: 2 r0 ~ 2.3 fm Nukleonenradius: rn ~ 0.8 fm Dichte oder Temperatur Kernradius R ~ 6.5 fm Formationszeit t ~ 0.3- 1 fm Das Medium am RHIC: Energiedichte • Naive Abschätzung der kritischen Energiedichte • Grundzustand  kritisch: Nukleonenüberlapp • Bjorken Model: longitudinale Expansion  eBJ~ 5 – 15 GeV/fm3

16. Thermalisierung O. Kaczmarel et al., Phys. Rev. D 62, 034021 (2000) • Gitter QCD • QCD Rechnungen auf einem diskreten Raum- Zeit Gitter • massiv parallele Computer • Phasenübergang für • TC≈ 170 MeV (1012 K) • eC ≈ 1 GeV/fm3 • anfängliche Dichte und Temperatur am RHIC • eBJ= 5 – 15 GeV/fm3 Ti = 250 – 350 MeV Gitter QCD für Dichte 0 Die Bedingungen für einen QCD Phasenübergang (Farbeinschluss und chirale Symmetrie) werden in zentralen Au-Au Kollisionen am RHIC erfüllt!

17. medium g g „Harte“ Sonden für das Medium • Ideale Experiment zur Strukturuntersuchung • Rutherford: a→ Atom  Entdeckung des Atomkerns • SLAC: Elektron → Proton  Entdeckung der Quarks • „Tomographie“ des Mediums am RHIC • Sonde muss zu Beginn der Kollision „selbstgeneriert“ werden • Parton-Parton Streuung mit grossem Impulsübertrag • Quark-Gluon Compton Streuung • „direkte“ Photonen • Gluon oder Quark Jets • Hadronen mit grossem Impuls Wie gut sind diese Sonden im Rahmen der QCD verstanden?

18. Nbinary: Zahl der bi-nären N-N Kollisionen; ergibt sich aus der Au-Au Kolli-sionsgeo-metrie p-p Direkte Photonen bei √sNN = 200 GeV • Vergleich mit perturbativen QCD Rechnungen Au-Au • Direkte Photonen sind eine kalibrierte Sonde • Keine starke Endzustandswechselwirkung!

19. Pionen in p-p Au-Au Au-Au peripheral Ncoll = 12.3  4.0 central Ncoll = 975  94 Hadronen bei √sNN = 200 GeV • perturbative QCD beschreibt die p-p Daten Hadronen bleiben im Medium stecken! • binäres Skalieren der kalibrierten Sonde funktioniert in peripheren Au-Au Kollisionen • starke Hadronenunterdrückung in zentralen Kollisionen: konsistent mit Energieverlust durch Gluon-Bremsstrahlung

20. Oder ist die Produktion unterdrückt? • Modifikation der Parton Verteilung im Au-Kern bei hoher Energie (Saturierung)? • Kontrollexperiment: d-Au bei √sNN = 200 GeV • Kernmodifikationsfaktor: Hadronunterdrückung ist eindeutig ein Endzustands Effekt! Final Data Preliminary Data

21. D mesons , Y’, c Charm Produktion • Charm (cc) (und Bottom, bb) Produktion in hadronischen Kollisionen • harter Prozess (mq >> LQCD) • perturbativ berechenbar auch bei kleinem Impuls • in führender Ordnung (LO): • Quark-Antiquark Annihilation • Gluon Fusion • Prozesse höherer Ordung? • Produktion über Fragmentation? • Das Experimentierprogramm in p-p, d-Au, Au-Au • Kalibrierung in p-p Kollisionen • Suche nach Medium Effekten • Änderung der Produktionsrate: thermische Produktion im heissen Medium? • Wechselwirkung mit dem Medium  Energieverlust, Fluss? • Gebundene Zustände: Quarkonia (J/y, U) • Komplementär zu anderen harten Sonden

22. D0 K+p- K+ p- PRL 94, 062301 (2005) Wie misst man Charm Produktion? • Ideal (aber sehr schwierig bei hohem Untergrund) • Direkte Rekonstruktion von Zerfällen, z.B. • STAR (in p-p und d-Au) • Alternativ (aber indirekt) • Beiträge semileptonischer Zerfälle zu Leptonenspektren (Inklusiv & Paare) • STAR (p-p und d-Au) PHENIX: systematische e± Messungen in allen Systemen

23. Referenz: e± in p-p bei 200 GeV PHENIX data • viele Quellen tragen zum inklusiven e± Spektrum bei • Untergrundbestimmung • Berechnung eines e±Cocktail von allen bekannten Quellen • Direkte Messung des dominanten Untergrundes • Konverter Methode • e+e- Paar Rekonstruktion • Elektronenüberschuss  semileptonische Zerfälle schwerer Quarks

24. Vergleich mit pQCD Rechnungen • Elektronenspektrum nach Untergrundabzug bei y = 0 • PYTHIA: LO pQCD Rechnung • Parameter justiert zur Beschreibung aller Charm Daten bei kleineren Energien (√s ≤ 63 GeV) • pT < 1.5 GeV/c: PYTHIA konsistent mit Daten • pT > 1.5 GeV/c: PYTHIA Spektrum „weicher“ als Daten • „Harte“ Fragmentations-funktion? • Erhöhte Produktion von Bottom? • Beiträge höherer Ordnung? PHENIX data

25. Vergleich mit pQCD Rechnungen • FONLL: Fixed Order Next-to-Leading Log pQCD Rechnung (M. Cacciari, P. Nason, R. Vogt hep-ph/0502203) • Beiträge von Prozessen höherer Ordnung • Bessere Beschrei-bung der spektra-len Form • pQCD liegt syste-matisch unter den Daten • Weitere Produktions-mechanismen • Jet Fragmentation? • Nächster Schritt • Muonen Produktion bei grosser Rapidität (vorwärts/rückwärts)

26. Anregungsfunktion der cc Produktion • Weitere Daten werden zum QCD Test benötigt • Charm Wirkungsquerschnitt am RHIC: scc ≈ 1 mb x Nbinary • zentrale Au-Au Kollision: ≥ 20 cc (ohne Medium Effekte)!

27. PHENIX PRELIMINARY 1/TABEdN/dp3 [mb GeV-2] Kalte Materie: d-Au bei 200 GeV • e± Spektrum nach Untergrundabzug • Differenz in der Systemgröße zwischen p-p und d-Au Kollisionen • „harte“ Sonde ohne Medium Effekte: d-Au = Nbinary x p-p • d-Au ≈ p-p skaliert • Nukleares Überlappintegral TAB: • Wirkungsquerschnitt ↔ Multiplizität • binäre Skalierung

28. 1/TABEdN/dp3 [mb GeV-2] 1/TABEdN/dp3 [mb GeV-2] 1/TAB 1/TAB 1/TABEdN/dp3 [mb GeV-2] 1/TABEdN/dp3 [mb GeV-2] 1/TAB 1/TAB Zentralitäts(un)abhängigkeit in d-Au KEINE Anzeichen für signifikante Medium Effekte in kalter Kernmaterie!

29. PHENIX: PRL 94, 082301 (2005) Totale Ausbeute für pT > 0.8 GeV/c Das heisse Medium: AuAu bei 200 GeV • Spektren von e± aus Zerfällen schwere Quarks für verschiedene Zentralitätsklassen • Statistik ist unzureichend zum Studium der spektralen Form für pT > 1.5 GeV/c • Totale Charm Ausbeute in Au-Au entspricht der binär skalierten Ausbeute in p-p (wie für einen harten pQCD Prozess erwartet)!

30. PHENIX Preliminary RAA für Ausbeute ≥ 2.5 GeV/c Charm in Au-Au: Spektren • „Cocktail“ Analyse des voll-ständigen Au-Au Datensatzes • Anzeichen für Unterdrückung bei grossem pT! • Kernmodifikationsfaktor RAA für e± von schweren Quarks ist ver-träglich mit RAA(Hadronen) • Momentane Präzision ist nicht ausreichend zum Studium der Zentralitätsabhaängigkeit • Starke Medium Modifikation der spektralen Verteilung ist evident!

31. RAA pT [GeV/c] Energieverlust schwerer Quarks • Gluon Abstrahlung ist im Vakuum unterdrückt im „dead cone“: q < m/E (Dokshitzer, Kharzeev: PLB 519(2001)199) • Im Medium kann der „dead cone“ durch Medium induzierte Strahlung gefüllt werden (Armesto, Salgado, Wiedemann: PRD 69(2003)114003) • Gemessene Unterdrückung bei grossem pT • In vernünftiger Überein-stimmung mit theoretischen Rechnungen • Kann verschiedene Szenarien unterscheiden • Mit Vorsicht zu geniessen! • Momentaner Theorievergleich vernachlässigt Bottom Produktion • Für pT ≥ 4 GeV/c ist in den Daten ein signifikanter Beitrag von B Zerfällen zu erwarten M. Djordjevic et al., hep-ph/0410372 N. Armesto et al. PRD 69(2003)114003

32. Gebundene cc Zustände: J/y • cc: wird früh produziert • Kann gebundene Zustände bilden: J/y (wie?) • Abschirmung der Farbladung im Medium  J/y Unterdrückung (Matsui und Satz, PLB176(1986)416) • in zentralen Pb-Pb Kollisionen am SPS • J/y Unterdrückung über “normale” nukleare Absorption hinaus (NA50: PLB477(2000)28) • Aussichten am RHIC • Höhrere cc Ausbeute als am SPS • Möglicherweise J/yAnreicherung durch cc Koaleszenz im abkühlenden Medium • Wichtig:J/yMessung in p-p und d-A zur Separation “normaler” Effekte in kalter Kernmaterie • Charm Messungen liefern wesentliche Vergleichsgrundlage

33. Referenz: J/y in p-p bei 200 GeV • J/y→ e+e- bei zentraler Rapidität (y = 0) • J/y→ m+m- bei Vorwärts- und Rückwärtsrapidität • Produktions Mechanismus? • Totaler Produktions- wirkungsquerschnitt ist konsistent mit • „Color Octet“ Modell: cc Farbneutralisation durch Gluonabsorption • „Color Evaporation“ Modell: Gluon fragmentiert zu cc und absorbiert weiteres Gluon • „Color Singlet“ Modell (cc Koaleszenz in Singlet Zustand) im Widerspruch zu PHENIX (und Tevatron) Daten • Weitere Informationen aus Polarisationsmessungen

34. gluons in Pb / gluons in p PHENIX North Muon Arm: y < 0 Anti Shadowing Shadowing PHENIX Central Arms: y ≈ 0 PHENIX South Muon Arm: y > 0 X Eskola, Kolhinen, Vogt, NP A696(2001)729 J/y in kalter Kernmaterie: d-Au • Absorption in kalter Materie: • sd-Au/sp-p < 2×197 • Vielfachstreuung im Eingangskanal: • „Verbreiterung“ der pT Verteilung in d-Au relativ zu p-p • Modifikation der Gluon Strukturfunktion im Kern • „shadowing“ und „anti-shadowing“

35. Low x2 ~ 0.003 High x2 ~ 0.09 J/y in d-Au: „pT-Verbreiterung“ • Zunahme von a mit pT→ „pT-Verbreiterung“ des J/y (Vielfach-Streuung im Eingangskanal oder Cronin-Effekt) • Vergleichbar zu Daten bei niedrigerer Energie (√s = 39 GeV) (E866/NuSea: PRL 84(2000)3256)

36. PHENIX PRELIMINARY Klein,Vogt, PRL 91:142301,2003 Kopeliovich, NP A696:669,2001 J/y in d-Au: Absorption/Shadowing • J/y in d-Au/p-p als Funktion der Rapidität y • Nukleare Absorption: Absolutwert des Verhältnis • „(Anti)Shadowing“: Rapiditätsabhängigkeit • Indikation für schwache nukleare Absorption und schwaches „(Anti)Shadowing“ in den d-Au Daten

37. y = 1.0 R. L. Thews, M. Schroedter, J. Rafelski, Phys Rev C 63, 054905 Plasma Coalescence Model Binary Scaling J/→ee Stat.Model Andronic et al nucl-th/0303036 y = 4.0 Absorption (Nuclear + QGP) + final-state coalescence Absorption (Nuclear + QGP) L. Grandchamp, R. Rapp, Nucl Phys A709, 415; Phys Lett B 523, 60 J/y in Au-Au: anomale Unterdrückung? • RHIC Run-2 (Au-Au bei 200 GeV) • J/y→ e+e- (~12 Ereignisse): PRC69, 014901,2004 • Nicht sehr aussagekräftig • RHIC Run-4 Au-Au (wird z.Z. analysiert) • Statistik vergrößert um Faktor ~40 • Bessere Massenauflösung • Besseres Verhältnis von Signal zu Untergrund • Zusätzlich J/y→ m+m- • Unterscheidung ver- schiedener Szenarien wird möglich • RHIC Run-5 (Cu-Cu) • Daten zur Massenabhängigkeit

38. Dileptonen: die ultimative Sonde • Schematisches Massenspektrum mit möglichen Modifikationen durch den QCD Phasenübergang Chiral symmetry restoration continuum enhancement modification of vector mesons • Wiederherstellung der chiralen Symmetrie: Kontinuum bei niedrigen Massen • Neue Idee (E. Shuryak) • gebundene (farbige) Zustände im Quark-Gluon Plasma?? • vorhergesagt für m ~ 2 GeV/c2! thermal radiation or energy loss suppression (enhancement)

39. real - mixed = e+e- signal real and mixed e+e- distributions e+e- from light hadron decays net e+e- e+e- from charm (PYTHIA) Dileptonen am RHIC: Status • Untergrungsubtraktion ist unter Kontrolle • Statistische Unsicherheiten sind groß • Dielektronen in Au-Au bei 200 GeV (Run-2) • Kombinatorischer Untergrund ist groß • Was wird erwartet? • Zerfälle leichter Hadronen (Cocktail) • Charm Zerfälle (PYTHIA) • Daten sind verträg-lich mit Erwartung • Run-4 = 40 x Run-2

40. Zusammenfassung • Indizien für einen neuen Materiezustand in Au-Au Kollisionen am RHIC mehren sich • Schwere Quarks und andere „harte“ Sonden • Eichung und pQCD Vergleich in p-p Referenzmessungen • Studium von Medium Effekten in „kalter“ Kernmaterie in d-Au Kollisionen • Beobachtung von neuartigen Medium Effekten in heisser Materie in Au-Au Kollisionen • Einzigartige Möglichkeit, stark wechselwirkende Materie jenseits des QCD Phasenübergangs zu studieren • Aufhebung des Farbeinschluss • Wiederherstellung der chiralen Symmetrie

41. RHIC Ein Blick in die Zukunft: RHIC • unmittelbare Zukunft • Erweiterung der Systematik: Cu-Cu; √sNN = 62 GeV • detaillierte Zentralitätsabhängigkeit in Au-Au • Elektronen bei höherem pT→ Bottom wird zugänglich • DILEPTONEN mit guter Statistik! • PHENIX Erweiterung und RHIC-II (bis 2010) • Si-Pixel Vertex Spektrometer → Sekundärvertex (c,b) • HBD („Hadron Blind Detector“) → Dalitz- und Konversionsrejektion in Dileptonspektren • RHIC-II (Luminositätserhöhung) → weitere Quarkonia

42. Terra Incognita • RHIC/LHC: hohe Temperatur, niedrige Baryonendichte • GSI Zukunftsprojekt FAIR • moderate Temperatur, hohe Baryonendichte • Kombination mit einzigartigem Hadronenphysikprogramm mit Antiprotonenstrahlen