Podstawowe sygnały przejścia fazowego cząstki z kwarkami powabnymi, leptony, rezonanse...

1. Zderzenia Ciężkich Jonów’ 2002/2003 Podstawowe sygnały przejścia fazowego cząstki z kwarkami powabnymi, leptony, rezonanse... Tomasz Liwiński, Jan Pluta 1 .04. 2003

2. (Zderzenia relatywistycznych ciężkich jonów) = (wycieczka do stanu plazmy kwarkowo-gluonowej) Powrót do domu i pamiątki z wycieczki: Nie ma jednoznacznych dowodów przejścia fazowego

3. r, w, f etc.. jet p K p m Time g e Space (z) Au Au Space-time Evolution of System at RHIC Hadronization (Freeze-out) + Expansion Mixed phase QGP phase Thermalization Pre-equilibrium Hadrons reflectthe bulk property of created system and its evolution!

4. Sygnały (pamiątki ) leptonowe Leptony produkowane w oddziaływaniach kwark-antykwark nie oddziaływają silnie i łatwo opuszczają materię jądrową; ich droga swobodna jest duża i nie doznają oddziaływań wtórnych. Ich krotności i pędy zależą od rozkładów kwarków i antykwarków w plazmie, które z kolei określone są przez termodynamiczny stan plazmy w momencie produkcji tych leptonów. Formacja plazmy nie jest jedynym źródłem par leptonów. Występują także inne procesy, które trzeba umieć oddzielić. Drell-Yan - mechanizm: szczególnie ważny dla dużych mas inwariantnych.

6. „Anatomia” rozkładu inwariantnych mas di-leptonów

7. Tu – prezentacja Tomasza Liwińskiego Część pierwsza

8. Produkcja powabu – Eksperyment NA38 Grupa NA 38 używała istniejących spektrometrów miuonowych w CERN-ie do pomiarów produkcji cząstek J/ dla trygerów o różnych wartościach przepływu energii poprzecznej ET. Rysunek przedstawia dane otrzymane dla 200 A GeV/c 16O + 238U. ZCJ 1-04-2003

9. Produkcja powabu – Eksperyment NA38 Przedstawione zostały wydajności J/ znormalizowane do kontinuum –tj. rozkładu tła pochodzącego od innych efektów. Dla dwóch różnych wartości ET: ET0<28 GeV (lewo) i ET0 >50 GeV (prawo). Stosunki J/ powyżej kontinuum, zdefiniowane przez N/NC mają następujące wartości: N/NC = 9,3 ± 0,6 dla peryferyjnego i 5,9 ± 0,4 dla centralnego Widoczna jest więc 40% redukcja wydajności J/ (względem kontinuum) dla zderzeń centralnych w stosunku do zderzeń peryferyjnych. ZCJ 1-04-2003

10. Produkcja powabu – Eksperyment NA38 Poniższy rysunek pokazuje zmienność pędu poprzecznego pT w produkcji J/ Tłumienie jest większe w regionie niskiego pT - w przybliżeniu około 2 razy między wysokim a niskim regionem pT. ZCJ 1-04-2003

11. Produkcja powabu – Eksperyment NA38 Matsui i Satz przewidywali , zanim eksperyment wystartował iż tłumienie J/ powinno być szczególnym sygnałem dla tworzenia się plazmy kwarkowo-gluonowej. Zaprezentowany rysunek przedstawia ich koncepcję: Oddziaływania pomiędzy kwarkami i c w wolnej przestrzeni rosną tak jak rośnie ich wzajemny dystans. W plazmie kwarkowo-gluonowej natomiast V(c ) jest prawie równy temu w w wolnej przestrzeni jedynie w regionie r<r0, gdzie r0 jest przeciętną odległościom między sąsiednimi kwarkami a r jest odległością pomiędzy c i . Jeżeli r>r0, wtedy kwark ,dla przykładu, zaczyna oddziaływać raczej z sąsiednimi kwarkami u i d niż z odległym c, tworząc mezon (u , ...) ZCJ 1-04-2003

12. Innymi słowy, oddziaływania pomiędzy c i są tłumione. – analogia QCD do ekranowania Debye’a. Jeżeli J/ jest zdefiniowany jako stan związany w wolnej przestrzeni to produkcja J/ w QGP powinna być tłumiona w wysokiej gęstości kwarków. W szczególności silne tłumienie (czy też zanikanie) J/ będzie występować gdy r0<r(J/). Ponieważ QGP będzie łatwiej tworzona w zderzeniach centralnych, obserwowane tłumienieJ/ w tych zderzeniach jest zgodne z tym scenariuszem. W dodatku obserwowana zależność pT jest modelowa, ponieważ pary c o niskim pT mogą pozostać wewnątrz QGP. ZCJ 1-04-2003

13. Produkcja powabu – Eksperyment NA38 Powinniśmy być jednak ostrożni w związku z tym scenariuszem. W gazie hadronowym J/ oddziaływują z innymi mezonami i nukleonami. Absorpcja J/ przez mezony wektorowe może nie być niemożliwą. Ten efekt oddziaływania w stanie końcowym jest bardziej ważny dla zderzeń centralnych niż dla peryferyjnych, więc wydajność J/ może być dla nich bardziej tłumiona. Poza tym efekt ten powinien być bardziej zdecydowany w rejonie niskich pT J/. ZCJ 1-04-2003

14. Wnioski Interesującym faktem zaobserwowanym w eksperymencie NA38 jest ponad 50% tłumienie J/. Jest ono duże dla wysokich wartości ET a także duże dla J/ z małymi wartościami pT. Obserwacje te wskazały jedną z dróg którymi można podążać kierując się ku tworzeniu plazmy kwarkowo-gluonowej, czy też oddziaływaniom w stanie końcowym w gazie hadronowym. ZCJ 1-04-2003

15. Ekranowanie Debye’a w QGP Matsui i Satz W QGP, następuje ekranowanie ładunku kolorowego wskutek obecności swobodnych kwarków, antykwarków i gluonow. Oddziaływanie kwarków c i anty-c jest osłabione i uformowanie stanu związanego jakim jest J/psi jest utrudnione - cząstki te ulegają dysocjacji. Mechanizm: Potencjał oddziaływania kwarków na odległości r: Hamiltonian układu Stąd wynika cała spektroskopia układu

16. W plazmie: Zmienia się współczynnik naprężenia struny => zanika Zmieniają się gęstości kwarków i gluonów wokół c i anty-c. Potencjał kulombowski zmienia się w potencjał Yukawy Długość ekranowania jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury. W wysokich temperaturach następuje dysocjacja układów c-any-c i bardziej prawdopodobna staje się produkcja np. mezonów D. Dla wyznaczenia temperatury (krytycznej) zapisuje się hamiltonian i określa warunki na istnienie (i nieistnienie) stanów związanych. Kluczowa jest zależność długości ekranowania od temperatury. (tym mniejsza im wyższa temperatura.) Temperatura krytyczna jest rzędu 100-200MeV.

17. Inne źródła produkcji dileptonów. Proces Drell’a-Yan’a. (Drell-Yan Process) Przykład: Ogólnie: Mechanizm: 1. Kwark z jednego protonu anihiluje z antykwarkiem z drugiego 2. W rezultacie produkowany jest wirtualny foton 3. Foton konwertuje na parę lepton - antylepton

18. Proces Drell’a-Yan’a. (Drell-Yan Process) Prawdopodobieństwo w zderzeniach jądro-jądro:

19. QM’2002, NA50

20. Efekty prowadzące do tłumienia Wtórne oddziaływania z hadronami: (Zależność wtórnych oddziaływań od drogi w materii jądrowej)

21. Jak więc wydzielić mechanizm odpowiedzialny za tłumienie Rozkłady pędu poprzecznego w funkcji gęstości energii Fig 15.5

22. Tu – prezentacja Tomasza Liwińskiego Część druga

23. Ostatnie wyniki dotyczące J/ z eksperymentu NA50 ZCJ 1-04-2003

24. Produkcja cząstek J/ w oddziaływaniach Pb-Pb przy wiązce 158 GeV/c jest badana w funkcji centralności jako oszacowanie z energii poprzecznej lub z bardzo wczesnej energii hadronowej zderzenia. Wydajność J/ wykazuje podobny schemat z pierwszym spadkiem dla „mid-peripheral” zderzeń i silny spadek dla najbardziej centralnych reakcji. Konwencjonalne modele hadronowe nie są w stanie odtworzyć tego trendu, który odnajduje naturalne wyjaśnienie w scenariuszu uwolnienia fazy kwarkowo-gluonowej. ZCJ 1-04-2003

25. Przejście fazowe ze zwykłej materii hadronowej do nowego stanu uwolnionych kwarków i hadronów jest przewidziane przez nie-perturbacyjną Chromodynamikę Kwantową [1] przy szczególnych warunkach, które mogą być osiągnięte w reakcjach indukowanych przez ultrarelatywistyczne wiązki ciężkich jonów jak dostępny w CERN-ie SPS. W tym kontekście eksperyment NA50 jest głównie przywiązany do badania specyficznej sygnatury przejścia do fazy kwarkowo-gluonowej – przewidywanego tłumienia stanów charmonium [2]. Faktycznie więc, ostatnie obserwacje NA50 anomalnego tłumienia J/ [3], efektu odcięcia [4] i dwu schodkowego schematu tłumienia są silnym wskaźnikiem dla uwolnieniowego przejścia. ZCJ 1-04-2003

26. Warunki eksperymentalne i warunki analizy Aparatura eksperymentu NA50 głównie składa się ze spektrometru muonowego, zsegmentowanej aktywnej tarczy i trzech niezależnych detektorów centralności: elektromagnetycznego kalorymetru, który mierzy neutralną energię poprzeczną (ET) produkowaną w oddziaływaniu, zero degree calorimeter mierzący bardzo początkową energię hadronową (EZDC) nukleonów-widzów i silicon strip multiplicity detector. ZCJ 1-04-2003

27. Wstępne rezultaty reakcji p-A przytoczone dalej oparte są na nowych danych zebranych z wiązek protonów uderzających w różne cele (Be, Al, Cu, Ag, W i Pb). Dwie próbki zdarzeń wzięte z różnymi natężeniami wiązek, z krótkim LI (małe natężenie) i HI (wysokie natężenie), są tu rozpatrywane. Zostały one otrzymane z protonami o 450 GeV/c (odpowiednio 400 GeV/c) przy natężeniu ~ 5·108 (odpowiednio ~ 4·109) protons/burst. Pary miuonów analizowane były w następujących warunkach: 2,92  ylab  3,92 (0  ycms  1, dla Pb-Pb przy 158 GeV/n) i cosCS 0,5 co odpowiada interesującemu obszarowi masy i zgodności rzędu 15% [6]. ZCJ 1-04-2003

28. Produkcja J/ Stosunek J/ do przekroju czynnego Drell-Yana jako funkcja ET Systematyczne badania zachowania się przekroju czynnego D-Y w obszarze systemów od p-p i p-A do S-U i Pb-Pb zobrazowane są na rysunku, przedstawia on stosunek zmierzonego do obliczonego przekroju czynnego, określanego mianem współczynnika K, jako funkcję produktów pocisku i liczby masowej tarczy A·B. Ta stała wartość dowodzi, że przekrój czynny DY zachowuje się normalnie i jest proporcjonalny do liczby elementarnych kolizji nukleon-nukleon. Może więc być używany jako punkt odniesienia. ZCJ 1-04-2003

29. Produkcja J/ Przekrój czynny J/ na zderzenie nukleon-nukleon może więc być badany ze stosunku J/ do przekroju czynnego DY. Ten stosunek jest prawie wolny od błędów systematycznych, które są identyczne w obydwu próbkach i dlatego znoszą się (tylko 1,5%). ZCJ 1-04-2003

30. Produkcja J/ Rysunek przedstawia stosunek przekrojów czynnych dla dużej liczby oddziałujących systemów (od p-p i p-A do S-U i Pb-Pb) w funkcji L, długości ścieżki wzdłuż której podążają przed-rezonansowe stany c d w materii jądrowej ( pozwala to na wstępny opis różnych systemów). ZCJ 1-04-2003

31. Produkcja J/ Prostą ekspotencjalną parametryzację zastosowano do lżejszych systemów (dane z NA38 i NA51 z zakresu od p-p do S-U wraz z nowymi danymi p-A z NA50), a mianowicie przyjęto Bμμσψ/σDY e-ρLσabs, daje przekrój czynny na absorpcję stanów c g w materii jądrowej σabs=5,4 ± 0,4 mb, zgodnie z poprzednimi wynikami otrzymanymi z danych NA38 i NA51 (σabs=5,8±0,6 mb, pełne przeliczenie prowadzi do 6,4 ± 0,5 mb). Podczas gdy bardziej peryferyjne „punkty” Pb-Pb mieszczą się na krzywej absorpcji, bardziej centralne wykazują nagły 20% spadek przy L8 fm, sugerujący inny mechanizm tłumienia J/. ZCJ 1-04-2003

32. Produkcja J/ Jak widać na rysunku obydwie metody prowadzą do bardzo podobnych rezultatów. Ten sam rysunek przedstawia również wyniki oparte o dane z roku 1998, przy czym są to dane typu „minimal bias” będące w zgodzie z analizami z 1996 r kiedy badano wyższe wartości ET bez zanieczyszczeń związanych z oddziaływaniami wtórnymi. Ciągła linia zgodna jest ze zwykłą absorpcją otrzymywaną z danych dla lżejszych systemów (od p-p do S-U) które prowadzą do σabs=6,4 mb. Całkowity, przedstawiony rozkład pokazuje prócz tego 20% spadek dla 40 GeV (odpowiadający L8 fm) i punkt przegięcia około 90 GeV po którym następuje silny stromy spadek. ZCJ 1-04-2003

33. Stosunek J/ do „Minimal bias” i zależność EZDC od produkcji J/ Stosunek przekroju czynnego J/ do przekroju czynnego „minimal bias” Widoczne jest na rysunku odchylenie od modelu absorpcji przytoczonego wcześniej, obserwowane jest ono przy ET40 GeV podczas gdy przy ET90 GeV szczególnie zmienia swe zachowanie. Obydwie obserwacje są zgodne z analizą J/ /DY, popierają tym samym anomalny obraz tłumienia J/. ZCJ 1-04-2003

34. Stosunek J/ do minimalnego odchylenia przekroju czynnego i zależność EZDC od produkcji J/ Wstępne rezultaty niezależnej analizy J/ / DY używając początkowej energii EZDC mierzonej w zero degree kalorymetrze (ZDC) jako estymator centralności pokazane są na rysunkach. Ponownie obserwowany jest tu schemat stopniowego tłumienia J/. ZCJ 1-04-2003

35. Porównanie z teorią Różne teoretyczne modele oparte na absorpcji typu „comoving hadrons” [12-16] czy też na przejściu fazowym plazmy kwarkowo-gluonowej [17,18] były rozwijane i porównywane z obserwacjami NA50. Porównanie jest widoczne na poniższym rysunku ZCJ 1-04-2003

36. Porównanie z teorią Konwencjonalne modele (lewy i środkowy rysunek) zwykle wykazują słabą zgodność z całym zbiorem wyników eksperymentalnych, np. kompletny zbiór wyników dla słabo i silniej oddziałujących systemów. Co więcej, nie są one w stanie odtworzyć specyficznego, krokowego schematu tłumienia. Z drugiej strony modele zawierające uwolnienie kwarkowo-gluonowe (prawy rysunek) z dwoma odcięciami związanymi odpowiednio z χc i punktami topnienia J/ [17] wraz z fluktuacjami ET [18] są jakościowo w znacznie lepszej zgodności z obserwacjami eksperymentalnymi. ZCJ 1-04-2003

37. Rozkład pędów poprzecznych Przedstawiony rysunek przedstawia odwrotność parametru nachylenia T dla Pb-Pb i S-U oddziaływań, odpowiednio dla 200 GeV/nukleon i 158 GeV/nukleon w funkcji gęstości energii. Parametr T silnie rośnie wraz z gęstością energii., zarówno dla S-U jak i Pb-Pb z oczywistą zależnościom od energii wiązki. ZCJ 1-04-2003

38. Rozkład pędów poprzecznych Zależność <p2T> w funkcji L, która może być związana z z oddziaływaniami w stanie początkowym przez rozpraszanie gluon-nukleon co jest pokazane na poniższym rysunku dla reakcji 200 GeV/nukleon i 158 GeV/nukleon. <p2T> zależy od energii wiązki, ale fity zgadzają się z <p2T>(ET)= <p2T> pp+agNL(ET) Dają podobne nachylenie dla protonów, siarki i ołowiu. Numeryczna wartość agN=0,080±0,003 GeV2/c2fm-1 jest otrzymany z χ2/ndf = 0,065 , a wszystkie fitowane dane sa z podobnym nachyleniem. ZCJ 1-04-2003

39. Rozkład pędów poprzecznych Stosunek R(pT) rozkładu pT cząstek J/ dla danych rejonów ET z uwzględnieniem najniższego regionu ET, znormalizowany do stosunku odpowiednich zdarzeń Drell-Yan’a przedstawiony jest na rysunku. Wyniki wyraźnie przedstawiają tłumienie J/, będące znacznie silniejszym dla niskich pT. Stosunek R(pT) zmierza do nasycenia w wysokim pT dla reakcji Pb-Pb. ZCJ 1-04-2003

40. Konkluzje Otrzymane w eksperymencie dane pokazują anomalny schodkowy schemat tłumienia J/. W czasie gdy produkcja J/ zgadza się z normalną absorpcją jądrową dla większości peryferyjnych reakcji Pb-Pb, odchylenie o około 20% od tego normalnego zachowania się zdarza się dla „semi-peryferyjnych” zderzeń, a następnie, ze wzrostem centralności, przez punkt załamania i i silny schodkowy spadek dla najbardziej centralnych reakcji. Ten schemat może być interpretowany jako droga do sukcesywnego topnienia granicy stanów charmonium – jak przewiduje się dla uwolnienia kwarkowo-gluonowego. Z rozkładu pędu poprzecznego wnioskujemy że J/ jest bardziej tłumione w niskich wartościach pT. ZCJ 1-04-2003

41. QM’2002, NA50