1 / 36

Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC

Fr ühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft. Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC. Markus D. Oldenburg. Aachen, 13. M ärz 2003. Übersicht. Kernmaterie unter extremen Bedingungen RHIC & seine Experimente Experimentelle Ergebnisse Teilchenspektren

dino
Download Presentation

Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC Markus D. Oldenburg Aachen, 13. März 2003

  2. Übersicht • Kernmaterie unter extremen Bedingungen • RHIC & seine Experimente • Experimentelle Ergebnisse • Teilchenspektren • radialer und anisotroper Fluss • Unterdückung von Teilchen mit hohem Transversalimpuls • Jets bei RHIC-Energien • Zusammenfassung & Ausblick Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  3. Phasendiagramm von Kernmaterie (nach QCD) T hier für zwei massenlose Quarkflavors (Rajagopal und Wilczek, hep-ph/-0011333) • Untersuchung von Kernmaterie unter extremen Bedingungen (hohe Temperaturen und/oder hoher Druck) Baryon • T << LQCD: starke Kopplung  Quark-Einschluss in Hadronen • T >> LQCD: schwache Kopplung  Quark-Einschluss aufgehoben (Deconfinement/Quark Gluon Plasma) •  Phasenübergang bei T~ LQCD? Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  4. QCD-Gitterrechnungen q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q kritische Energiedichte: q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q • gleichzeitige Übergänge: • Deconfinement • Wiederherstellung der chiralen Symmetrie Ideales Gas (Stefan-Boltzmann Grenzfall) F. Karsch, hep-ph/0103314 TC ~ 175 MeV  eC ~ 1 GeV/fm3 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  5. Der Phasenübergang im Labor soft Physics (low-pT) elektro-magn. Signale (l+l-, g) “harte” (high-pT) Physik chemisches Ausfrieren (Tch  Tc) : Ende der inelastischen Stöße kinetisches Ausfrieren (Tkfo Tch): Ende der elastischen Stöße Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  6. The Relativistic Heavy-Ion Collider • 2 unabhängige Beschleunigungsringe • 3.83 km Umfang • beschleunigt alles von p bis Au Au+Au-Strahlzeit 2001/2002 • 55-56 bunches pro Ring (getested bis zu 110) • 7.5108 Au/bunch @ Speicherenergie • Speicherenergie: 100 GeV/A • Kollisionsenergie: 200 GeV/Nukl.-paar • Max. Luminosität: 51026 cm-2 s-1 pp-Strahlzeit 2001/2002 • 55 bunches pro Ring • 0.81011 p/bunch • Energie/Strahl: 100 GeV • Max. Luminosität: 1.51030 cm-2 s-1 • Strahlpolarisation ~ 25% ( AGS) PHOBOS BRAHMS PHENIX STAR Long Island Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  7. Silicon Vertex             Tracker Coils Magnet E-M Calorimeter Time Projection           Chamber Time of    Flight Electronics Platforms Forward Time Projection Chamber Die “großen” RHIC-Experimente STAR Magnetspule, Tracking über großen Raumwinkelbereich, TPCs, Si-Vertex Tracker, RICH, EM Cal, TOF ~420 Mitarbeiter PHENIX Achsiales Magnetfeld, Hohe Auflösung bei hoher Messrate, 2 zentrale, 2 vorwärtsgerichtete Spektrometerarme TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID ~450 Mitarbeiter • Leptonen, Photonen und Hadronen in • ausgewählten Raumwinkeln • Gleichzeitige Messung von verschiedenen • Phänomenen des Phasenübergangs • Hadronische Observablen in großem • Raumwinkelbereich • Einzelereignis-Analyse von Hadronen und • Jets Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  8. Die “kleinen” RHIC-Experimente BRAHMS 2 “herkömmliche” Spektrometer Magnete, Tracking Chambers, TOF, RICH ~40 Mitarbeiter PHOBOS 2-armiges “Table-top” Spektrometer Magnet, Si--Streifen, Si-Mult.-Ringe, TOF ~80 Mitarbeiter Paddle Trigger Counter TOF Spectrometer Octagon+Vertex Ring Counters • geladenen Hadronen in ausgewählten • Raumwinkelbereichen • Multiplizität in 4 • Teilchenkorrelationen • inklusive Teilchenspektren über • große Rapiditätsbereiche Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  9. Geometrie einer Schwerionenkollision peripher zentral Stoßparameter b periphere Kollision: b  bmax zentrale Kollision: b  0 b Anzahl der Partizipanden (Npart):Anzahl der einlaufenden Nukleonen in der “Überlapp”-Region Anzahl der binären Kollisionen (Nbin): Anzahl der inelastischen Nukleon-Nukleon Kollisionen Nbin Npart/2 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  10. STAR Peripheres Ereignis (Echtzeit Level-3 Display) Farbkodierung  Energieverlust Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  11. STAR Zentrales Ereignis (Echtzeit Level-3 Display) Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  12. Multiplizität geladener Teilchen 19.6 GeV 130 GeV 200 GeV PHOBOS Preliminary zentral dNch/dh peripher h Zentrale Kollisionen bei 130 GeV: 4200geladene Teilchen! Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  13. Energiedichte • Wie groß ist die erreichte Energiedichte? • Vergleich mit der erwarteten Energiedichte beim Phasenübergang PHENIX EMCAL “zentralste” Ereignisse Bjorken-Formel für Energiedichte bei Thermalisierung (Modell !!!) 130 GeV Zeit bis zur Thermalisierung (t0 ~ 1 fm/c) ~6.5 fm eBjorken~ 4.6 GeV/fm3 pR2 ~ 30fache Grundzustandsdichte von Kernmaterie ~ 1.5 bis 2 mal höher als am SPS (s = 17 GeV) ~ 5 mal so groß wie ecritical von QCD-Gitterrechnungen Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  14. Teilchenspektren bei 200 GeV/N _ p p+ K- STAR Preliminary STAR Preliminary STAR Preliminary p+, p-, K+, K- Spektren in Zentralitätsabhängigkeit (130 GeV/N Daten in nucl-ex/0206008) p und p-bar Spektren in Zentralitätsabhängigkeit (130 GeV/N Daten in PRL 87 (2002)) Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  15. Antiteilchen zu Teilchen-Verhältnisse K+/K- ratios  p-bar/p ratios STAR STAR-Ergebnisse für p-bar/p • p-bar/p = 0.11 ± 0.01 @ 20 GeV • p-bar/p = 0.71 ± 0.05 @ 130 GeV • ursp. Veröffentlichung 0.60 ± 0.06 • p-bar/p = 0.80 ± 0.05 @ 200 GeV Sehr gute Übereinstimmung der versch. RHIC-Experimente bei y = 0, Ös = 130 GeV Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  16. Anti-Baryon zu Baryon Verhältnis vs. sNN _       _ _ _ _ _ _ p+p p/p ISR STAR preliminary • im frühen Universum • p-bar/p = 0.999999 • Paarproduktion nimmt mit s zu. • Die Region mittlerer Rapidität ist (selbst am RHIC) noch nicht Baryonen-frei! • Paarproduktion ist größer als Baryonentransport. • 80% der Protonen stammen von Paarproduktion. • 20% werden über 5 Rapiditäts- einheiten transportiert (“stopping”). Baryonen werden am RHIC stärker paarweise erzeugt als aus den Anfangskernen zu mittleren Rapiditäten transportiert. Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  17. Chemisches Ausfrieren (Thermisches Modell) • Annahme: - Thermisch und chemisch equillibrierter Feuerball beim hadro-chemischen Ausfrieren. • “Rezept”: - Groß-kanonisches Ensemble zur Beschreibung der Zustandsfunktion  Teilchendichte für verschieden Teilchenarten i • - Randbedingungen: Volumen V, chem. Potential für Strangeness S, Isospin input:gemessenen Teilchenverhältnisse output:Temperatur T und baryo-chemisches Potential b Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  18. Wo befinden wir uns im Phasendiagramm? Frühes Universum 250 Quark-Gluon Plasma RHIC 200 Lattice QCD “Chemische” Temperatur Tch [MeV] SPS 150 AGS Deconfinement Chiral Restauration 100 SIS Hadrongas 50 Atomkerne 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Baryo-chemisches Potential b [MeV] • Die Analyse des Endzustands legt nahe, dass wir uns nahe der Phasengrenze befinden. • Mit den Daten aus den Hadronproduktionen können keine höheren Temperaturen gemessen werden! Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  19. Transversaler Fluss Die Steigungen nehmen mit zunehmender Teilchenmasse ab. <pT> und effektive Temperatur nehmen daher mit der Masse zu. Au+Au bei 200 GeV STAR - Tobs ≈ 215 MeV K- Tobs ≈ 310 MeV Die transversale (radiale) Expansion der Quelle erhöht die kinetische Energie der Teilchen. Die klassische Schreibweise für die Gesamtenergie legt daher einen linearen Ausdruck für die effektive Temperatur nahe: p Tobs ≈ 575 MeV Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  20. Kinetischer Freezeout mit transversalem Fluss <ßr> (RHIC) = 0.55 ± 0.1 c Tkfo(RHIC) = 100 ± 10 MeV • Explosive (transversale) Expansion • Hoher Druck • hohe Rescattering-Rate • Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts wahrscheinlich Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  21. periphere Kollisionen “Überlapp” ist nicht (kugel)symmetrisch im Raum “Überlapp” hat Linsenform Teilchen können einfacher in die x-z-Ebene emittiert werden zur Seite gewandte Fläche ist größer als oben-unten Anisotroper Fluss z y y py x px x • räumliche Anisotropie  Anisotropie im Impulsraum • Partonische Wechselwirkungen erzeugen Druck, der die ursprüngliche räumliche Anisotropie in die beobachtbare Impulsanisotropie transformiert. • Fourierentwicklung der Impulsverteilung der Teilchen in der x-y-Ebene • vn bezeichnet den Fourierkoeffizienten der Ordnung n • die Fourierentwicklung wird relativ zur Reaktionsebene durchgeführt • v1: “gerichteter Fluss” • v2: “elliptischer Fluss” Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  22. Zentralitätsabhängigkeit von v2 (130 GeV) Hydro-Vorhersagen • v2 erreicht hohe Werte • 6% in peripheren Kollisionen • entsprechend weniger in zentraleren Kollisionen • Hydro-Modellrechnungen stimmen gut mit den Messergebnissen überein • Im Gegensatz zu Kollisionen bei niedrigeren Energien, wo Hydro den anisotropen Fluss überschätzt • Anisotroper Fluss ensteht durch Rescattering • Da anisotroper Fluss zu späteren Zeiten unterdrückt wird (self-quenching), weisen die Daten auf eine frühe und damit schnelle Thermalisierung des Quelle hin. PRL 86, (2001) 402 [STAR; stimmt mit PHENIX überein] ansteigende Zentralität  Anisotroper Fluss erreicht am RHIC sehr hohe Werte Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  23. v2 vs. pt und Teilchenmasse (130 GeV) PRL 86, 402 (2001) & nucl-ex/0107003 (STAR) • Massenabhängigkeit wird von hydro- dynamischen Modellen reproduziert • Hydro setzt lokales thermisches Gleichgewicht voraus • kurz nach der Kollision • anschließende hydrodynamische Expansion der Quelle Hydro stimmt sehr gut mit den Daten überein D. Teaney et al., QM2001 Proc.P. Huovinen et al., nucl-th/0104020 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  24. v2 für high-pt Teilchen (130 GeV) • pQCD, inelastischer Energieverlust + Hydro-Parametrisierung (M. Gyulassy, I. Vitev and X.N. Wang, PRL 86 (2001) 2537) • Absolutwert von v2 bei hohem pt sensitiv auf die Gluonendichte • Sättigung und anschließende Abnahme von v2 bei ansteigendem pt • Messwerte weichen ab pt > 2 GeV/c vom hydrodynamischen Modell ab Adler et al. (STAR), nucl-ex/0206006 Ergebnisse in qualitativer Übereinstimmung mit “Jet-quenching” Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  25. “Harte” Stöße in Schwerionenkollisionen Schema der Jet-Produktion Hadronen leading particle q q Hadronen leading particle Vakuum QGP • neue Möglichkeiten am RHIC Hard Parton Scattering • sNN = 200 GeV @ RHIC • 17 GeV @ CERN SPS • Jets und Mini-Jets • 30-50 % der Teilchenproduktion • High-pt leading Particles • Azimutale Korrelationen • störungstheoretischer Bereich wird zugänglich • Berechnungen korrekt? • gestreute Partonen erleiden Energieverlust (dE/dx ~ x) bei ihrem Weg durch das Farbmedium • WW von Partonen mit partonischer Materie • Unterdrückung von Teilchen mit hohem pt: “jet quenching” • Unterdrückung von Winkelkorrelationen Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  26. Hadronen mit großem pt Preliminary sNN = 200 GeV Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  27. Messung von Hadron-Unterdrückung N+N Wirkungs- querschnitt <Nbin>/sinelp+p 1. Vergleich: Au+Au mit N+N Wirkungsquerschnitten 2. Vergleich: zentrale mit peripheren Au+Au-Kollisionen Nuclear Modification Factor: Ohne zusätzliche Effekte: R < 1 im “Soft Regime” R = 1 bei hohem pT (dominiert durch harte Stöße) mögliche Unterdrückung: R < 1 bei hohem pT Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  28. Unterdrückung von Hadronen bei 130 GeV PHENIX: PRL 88 022301 (2002) p0 und geladene Hadronen, zentrale Kollisionen STAR: nucl-ex/0206011 geladene Hadronen, Zentralitätsabhängigkeit Klarer Nachweis der Unterdrückung von Hadronen mit hohem pT in zentralen Kern+Kern-Stößen Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  29. Unterdrückung von Hadronen bei 200 GeV Preliminary sNN = 200 GeV PHENIX p0: Vergleich peripherer und zentraler Au+Au mit gemessenen p+p Kollisionen STAR gel. Hadronen: Verh. zentral/peripher PHENIX preliminary 200 GeV Daten (vorläufig): Unterdrückung um den Faktor 4-5 bis zu transversalen Impulsen von pT = 12 GeV/c Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  30. Jets in Au+Au-Kollisionen Au+Au  ??? (STAR @ RHIC) p+p  Jet+Jet (STAR @ RHIC) Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  31. Statistische Suche nach Jets in Au+Au-Stößen STAR Preliminary Au+Au @ 200 GeV/c, 0-5% zenralste Ereignisse 4 < pt(trig.) < 6 GeV/c, 2 GeV/c < pt(assoz.) < pt(trig.) Differenz high-pttrigger • Au+Au • Fluss • p+p und Au+Au- Kollisionen: • Dijets • Impulserhaltung • Jets • Resonanzen ,  assoz. Teilchen alle  kleines  Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  32. Periphere Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss • Ansatz: • Ein high-pt getriggertes Au+Au-Ereignis setzt sich aus einem high-pt getriggerten • p+p-Ereignis und anisotropem Fluss zusammen • v2 aus der Flussanalyse • “A” in der Region ohne Jets (0.75 < || < 2.24) angepasst Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  33. Zentrale Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  34. Jets bei RHIC-Energien Unterdrückung der back-to-back Korrelationen in zentralen Au+Au Kollisionen Oberflächenemission? • Der rückwärtsgerichtete Jet fehlt in zentralen Au+Au-Kollisionen im Vergleich zu p+p Daten unter Berücksichtigung von anisotropem Fluss • Andere Möglichkeiten, das Verschwinden des rückwärtigen Jets zu erklären? • Untersuchung kT-Effekten im Kern • experimentell: p+Au or d+Au • theoretisch: bessere Modellierung von kT-Effekten ? Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  35. Eigenschaften von Kernmaterie bei RHIC-Energien • heiß, • chemisches Ausfrieren bei 175 MeV • thermisches Ausfrieren bei 100 MeV • Die Ausfriertemperaturen zeigen überraschenderweise keine s-Abhängigkeit. • schnell, • transversale Expansion mit einer Durschnittsgeschwindigkeit von >0.55 c • hohe Werte von anisotropem Fluss (v2) implizieren hydrodynamische Expansion und hohen Druck kurz nach der Kollision • undurchdringlich, • Sättigung von v2 bei hohem pt • Unterdrückung von high-pt Teilchen im Vergleich zu p+p • Unterdrückung von entgegengerichteten Jets • und es ist mit einem thermodynamischen Gleichgewicht vereinbar • perfekte Anpassung von thermischen Modellen im Gleichgewicht an gemessene Teilchenverhältnisse • gute Übereinstimung von hydrodynamischen Modellen an Flussmessungen setzen Gleichgewicht voraus Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

  36. Strahlzeiten amRHIC im Jahr 2003 • 29 Wochen d+Au (inkl. Herunterkühlen) • Jets konnten bereits nachgewiesen werden, aber der genaue Vergleich zu Au+Au steht noch aus • 8 Wochen pp • Au+Au-Strahlzeit im Herbst Weitere interessante Messungen in naher Zukunft ... Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

More Related