1 / 46

Прямые фотоны в ядро-ядерных столкновениях от SPS до RHIC .

Прямые фотоны в ядро-ядерных столкновениях от SPS до RHIC. План доклада. Кварк-глюонная плазма и столкновения ядер сверхвысоких энергий. Фотонное излучение из столкновений ядер сверхвысоких энергий. Эксперимент WA98 на ускорителе SPS в ЦЕРН

mercer
Download Presentation

Прямые фотоны в ядро-ядерных столкновениях от SPS до 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. Прямые фотоны в ядро-ядерных столкновениях от SPS до RHIC. LINC-2005

  2. План доклада • Кварк-глюонная плазма и столкновения ядер сверхвысоких энергий. • Фотонное излучение из столкновений ядер сверхвысоких энергий. • Эксперимент WA98 на ускорителе SPS в ЦЕРН • Прямые фотоны в столкновениях Pb-Pb при энергии s = 17 ГэВ/NN • Бозе-Эйнштейновские корреляции прямых фотонов. • Эксперимент PHENIX на коллайдере RHIC в БНЛ • Подавлениевыходов пионов с высокими поперечными импульсами в столкновениях Au-Au при энергиях  s = 130и 200 ГэВ/NN • Прямые фотоны в столкновениях Au-Au при энергии  s = 200 ГэВ/NN. LINC-2005

  3. Hadronization (Freeze-out)+ Expansion Pre-equilibrium Thermalization QGP phase? Mixed phase g, g* e+e-, m+m- p, K, p, n, f, L, D, X, W, d,… Soft hadrons reflect medium properties when inelastic collisions stop (chemical freeze-out). Hard processes (early stages): Real and virtual photons, high pT particles. Эволюция столкновения ядер LINC-2005

  4. Фотонное излучение из столкновений ядер уникальный инструмент исследования свойств сгустка экстремально возбуждённой материи • Фотоны, рождённые в сгустке в процессе его эволюции, (так называемыепрямые фотоны) испытывают толькоэлектромагнитное взаимодействие с окружающей горячей плотной материей. • Длина свободного пробега фотона много больше размеров сгустка.  После своего рождения прямой фотон покидает сгусток без перерассеяния и поэтому несёт информацию о состоянии сгустка в момент своего рождения. Прямые фотоны несут информацию о свойствах сгустка на всех этапах его эволюции, включая самую раннюю фазу максимального разогрева. LINC-2005

  5. Нетепловые Тепловые Излучение жёсткого партона в среде Предравно- весные фотоны QGP Адронный газ Начальные жёсткие взаимодей- ствия pQCD or prompt photons Источники фотонов в столкновениях ядер Фотоны из A+A взаимодействия Прямые фотоны Распадные фотоны Фаза после разлёта Фаза эволюции сгустка Начальная фаза Взаимодействие жёсткого партона со средой LINC-2005

  6. Фотонные сигналы • Энергетические спектры прямых фотонов • Измерение температуры сгустка, прежде всегоначальной температуры • Бозе-Эйнштейновские корреляции (Hunberry-Brown –Twiss)прямых фотонов • Измерение пространственно-временных размеров сгустка LINC-2005

  7. Decay photons hard: thermal: Энергетические спектры фотонов LINC-2005

  8. Эксперимент WA98 в ЦЕРН • 21 институт • Германия • Голландия • Индия • Польша • Россия • РНЦ «Курчатовский Институт» • ОИЯИ • США • Швеция • ЦЕРН • Чехия 158 ГэВ/ нуклон Pb-Pb  S = 17 ГэВ/NN LINC-2005

  9. Электромагнитный калориметр LEDA ключевой детектор эксперимента WA98разработан и создан РНЦ «Курчатовский Институт» Калориметр LEDA  10080 модулей из свинцового стекла Площадь: 16м2, Расстояние до мишени: 21.5 м Свинцовое стекло ТФ1 4040400 мм3 14.3 радиационных длин ФЭУ- 84 Индивидуальные высоковольтные источники (Кокрофт-Уолтон) LINC-2005

  10. Основная цель эксперимента WA98  поиски и исследование сигналов прямых фотонов Основная трудность – очень большой, принципиально неустранимый, фон фотонов от распадов долгоживущих резонансов (90% - от распадов 0 – мезонов) • Выделение сигналов прямых фотонов на статистической основе • Измерение спектров прямых фотонов • Измерение инклюзивных спектров фотонов для событий разных классов центральности • Измерение инклюзивных спектров 0 и  - мезонов для событий тех же классов центральности • Расчёт (Монте Карло) инклюзивных спектров фотонов от радиационных распадов 0,  - мезонов и других долгоживущих резонансов • Спектр прямых фотонов находится как разность измеренных и рассчитанных инклюзивных спектров фотонов LINC-2005

  11. РНЦ «Курчатовский Институт» в эксперименте WA98 в ЦЕРН Извлечение сигнала 0 мезона • Метод смешанных событий • Спектр инвариантных масс пар фотонов из одного и того же события • Спектр инвариантных масс пар фотонов из разных событий Сигнал  1% LINC-2005

  12. Обнаружение прямых фотонов в центральных столкновениях Pb-Pb в эксперименте WA98WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 85 (2000)3595 Сигнал прямых фотонов в инклюзивном спектре фотонов из центральных столкновений Pb-Pb при энергии  s = 17 ГэВ/NN Периферические столкновения Центральные столкновения Периферические столкновения Центральные столкновения • Впервые обнаружены прямые фотоны в столкновениях ультрарелятивистских ядер. •  Для центральных столкновениях Pb-Pb в инклюзивном спектре фотонов наблюдается чёткий сигнал прямыхфотонов в интервале поперечных импульсов pT> 1.5 ГэВ/с LINC-2005

  13. Спектр прямых фотоновWA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 85 (2000)3595 Сигнал тепловых фотонов ? LINC-2005

  14. Эксперимент WA98Интерферометрия прямых фотоновWA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 022301(2004) Корреляционные функции пар фотонов из центральных столкновений Pb-Pb при энергии  s = 17ГэВ/NN KT = (1/2)(pT(1) + pT(2)) KT = (1/2)(pT(1) + pT (2)) Qinv = |p1-p2| C2(Qinv) = A(1 + exp(-R2invQ2inv)) l~ 2·10-3 C2(Qinv)=Nreal(Qinv)/Nmix(Qinv) LINC-2005

  15. Эксперимент WA98Инвариантные радиусы WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 022301(2004) C2(Qinv) =1 + l/(4p) ∫ do exp{ - Qinv2 (Rs2 sin2q sin2f + Rl2 sin2q cos2f ) - (Qinv2 + 4KT2)cos2q Ro2 } Rpplong Rgg Rppside (for massless particles!) Rinv = f(Rs,Rl) Erf(2KTRo) linv = l 2KTRo Pion correlation radii: WA98collaboration, Phys. Rev. C67 (2003) 014906. LINC-2005

  16. Спектр прямых фотоновWA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 022301(2004) Correlation method: The lowest yield (Ro=0) Most probable yield (Ro=6 fm) Ngdir = Ngtotal√2l Subtraction method Subtraction method, upper limit Predictions Erf(2KTRo) linv = l hadronic gas 2KTRo QGP pQCD sum Predictions: S. Turbide, R. Rapp, and C. Gale, Phys. Rev. C 69(014902), 2004. Tin~ 250 MeV LINC-2005

  17. RHIC: Relativistic Heavy Ion Collider • окружность: 3,83 км • 2 независимых кольца • 6 пересечений, 4 эксперимента: • Максимальная энергия в нуклон-нуклонной системе центра масс • 200 ГэВдляAu-Au • 500 ГэВ для p+p • Пучки: • Au+Au, sNN=200 GeV, sNN = 130 GeV, sNN = 19.6 GeV • p+p, sNN= 200 GeV • d+Au sNN= 200 GeV LINC-2005

  18. Event characterization detectors in middle Two central arms for measuring hadrons, photons and electrons Two forward arms for measuring muons Эксперимент PHENIXPioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment LINC-2005

  19. 12стран, 57 институтов LINC-2005

  20. Электромагнитный калориметр эксперимента PHENIX • PbGl (LEDA) • 9216 модулей из свинцового стекла ТФ1 с фотоумножителями ФЭУ-84 • Размеры модуля: 4 см x 4 см x 40 см • PbSc • 15552 модулей свиней-сцинтиллятор • с фотоумножителями ФЭУ-115М • Размеры модуля: 5.5 cm x 5.5 cm x 37 cm • Сравнение результатов, полученных двумя разными технологиями - очень важно для оценок систематических ошибок. Калориметр LEDA по завершении измерений в эксперименте WA98 в ЦЕРН стал одним из ключевых детекторов эксперимента PHENIX LINC-2005

  21. Обнаружение подавления выходов 0 – мезонов в центральных столкновениях Au-Au PHENIX Collaboration, Phys. Rev. Lett.88 (2002) 022301 PHENIX Подавление выходов адронов с высокими импульсами, вызванное явлением гашения струй в горячей плотной среде. X. N. Wang and M. Gyulassy, Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 1480 Первое наблюдение сильного подавления выхода нейтральных пионов с высокими поперечными импульсами в центральных столкновениях Au-Au. PRL 88 (2002) 022301 Гашение струй=QGP или эффекты начальной фазы ?? LINC-2005

  22. Для получения тепловых фотонов необходимо уменьшить систематическую ошибку Обнаружение прямых фотоновв столкновениях Au+Au при энергии  s = 200 ГэВ/NN  0 RAA(pT> 6.0 GeV/c)в зависимости от класса центральности Сигналы прямых фотонов для разных классов центральности: (/0)meas(/0)backvs pT Выходы прямых фотонов для разных классов центральности LINC-2005

  23. Предсказания по выходу прямых фотонов для эксперимента PHENIX D.d'Enterria and D.Peressounko,nucl-th/0503054 LINC-2005

  24. Заключение • Исследования свойств экстремально возбуждённой материи в столкновениях ядер сверхвысоких энергий представляют собой одно из ключевых направлений программы фундаментальных исследований Российского научного центра «Курчатовский Инстиут». • Эти исследования базируются на уникальных ускорительных установках Европейской Организации Ядерных Исседований (ЦЕРН) и Брукхейвенской национальной лаборатории в США в рамках международных мегапроектов. LINC-2005

  25. Результаты эксперимента WA98 на ускорителе SPS в ЦЕРН PRL 85 (2000)3595, PRL 93(2004)022301 • Впервые обнаружены сигналы излучения прямых фотонов в столкновениях ядер сверхвысоких энергий.  В инклюзивных спектрах фотонов, испускаемых в центральных столкновениях Pb-Pb при энергии  s = 17 GeV/NN В распределениях пар фотонов, испускаемых в центральных столкновениях Pb-Pb при энергии  s = 17 GeV/NN, по их относительному 4-импульсу (корреляции Ханбери-Брауна и Твисса) • Впервые получена оценка начальной температуры термализованного сгустка, образующегося в результате столкновения,  ~ 250 МэВ. LINC-2005

  26. Результаты эксперимента PHENIX на коллайдере RHIC в БНЛ • Получены выходы прямых фотонов в реакции Au + Au. • Для Pt> 3 ГэВ выход фотонов совпадает с рQCD теорией (бинарный скейлинг ~ 1) • Сигнал от тепловых фотонов пока не наблюдался. Требуется дополнительный анализ с целью улучшения точности. LINC-2005

  27. BACKUP SLIDES LINC-2005

  28. Сравнение теории с даннымиэксперимента PHENIX All calculations predict considerable thermal contribution below 3 GeV All calculations agree with data within errors. Calculations with similar initial time (temperature) result in similar spectra. Dependence on used emission rates and details of description of evolution is modest. LINC-2005

  29. 10-15% 5-10% 0-5% Классы центральности Spectators Participants Peripheral Central • Centrality selection : Sum of Beam-Beam Counter • (BBC, |h|=3~4) and energy of Zero-degree calorimeter (ZDC) • ExtractedNcollandNpartbased on Glauber model. LINC-2005

  30. (g/p0)measured / (g/p0)simulated : Peripheral PbGl and PbSc consistent with no g excess in peripheral LINC-2005

  31. (g/p0)measured / (g/p0)simulated : Central 1s systematic errors No photon excess seen within errors Working on better understanding of systematics LINC-2005

  32. Why Photon (p+p) ? • Photon in p+p is a good probe for the parton structure. • Leading process • Higher order • Bremsstrahlung Process • Why RHIC? • RHIC provides the highest energy as p+p collisions. • Very unique • As a basic for gluon spin measurement in the future. • A reference for d+Au and Au+Au. compton annihillation + Higher Order et.al. Photon in p+p is a testing ground of pQCD LINC-2005

  33. Why Photon (Au+Au)? Realistic Calculation • Photon source • pQCD photons • Compton • Annihilation • Bremsstrahlung • Photons from jet quenching • Thermal photons • From hadron GAS • From QGP Thermal photon is a good probe for QGP temperature  Target 1-3GeV PRC69(2004)014903, Turbide, Rapp, Gale LINC-2005

  34. Conclusion • p+p collisions • NLO pQCD calculation can describe our data • Sum of direct part and fragmentation part. • Fit in xT scaling with other experiment • d+Au collisions • comparison with NLO-pQCD • Result in d+Au collisions is consistent with the binary-scaled NLO-pQCD calculation. • Nuclear Modification Factor • Consistent with 1  No modification within the errors • Prompt photon production in d+Au can be described as binary scaling • Result is consistent with 0 LINC-2005

  35. Eg photon photon hadron R jet 約30%@10GeV 約10%@10GeV 約60%@10GeV Isolation cut to reduce background What is the efficiency by this cut for signal 1)&2)Next slide Strategy of Isolation Method (1)Signal(direct) (2)Signal(fragmentation) (3)Background(hadron decay) compton + annihilation LINC-2005

  36. Conclusion • Au+Aucollisions. • High pT photon • Binary Scaling and pQCD calculation • Consistent with 1 • No modification within the errors • Support jet quenching scenario observed as pion suppression • No thermal photon signal yet. • We’re analyzing the run4 Au+Au data. Plan to have the preliminary result. LINC-2005

  37. Result • Two methods • Subtraction method • isolation method • To be smaller by 20-40% • They are not different as we expected from pQCD calculation Rjection for fragmentation photon Is not perfect or Most of measured photon are From direct process (compton, annihilation, or NLO) LINC-2005

  38. PbGl EM Calorimeter Lead Glass calorimeter Lead Glass 40x40x400mm used at WA98 exp. 4x6 towers = 1 super module 15*12 super module = 1 sector LINC-2005 PbGl sector 2.1m x 3.9m

  39. PbSc EM Calorimeter Sandwich type calorimeter Lead plates 55.2x55.2x1.5mm Scintillator plates 110.4x110.4x4mm Shish-kebab geometry wave shifter fiber readout 6x6 fibers  1 PMT = 1 tower 2 x 2 towers = 1 module 6 x 6 module = 1 super module 6 x 3 super module = 1 sector LINC-2005 PbSc sector 2.0m x 4.0m

  40. Start with all photons in a given pT bin p0-Tagging: Determine number of photons in this bin which form inv. mass in p0 range with any other hit Subtract combinatorial background Correct for tagging efficiency and contribution from h, w, h’ Tagging efficiency from Monte Carlo simulation Contribution from h,w,h’,… Analysis Procedure (I) Nall: Number of inclusive g in a given pT bin LINC-2005

  41. Isolation cut should remove contribution from bremsstrahlung Difficult to determine the efficiency of the isolation cut Isolation Cut (I) R Isolation cut in this analysis Eg NLO pQCD calculation by W. Vogelsang (p+p at s=200 GeV) direct brems. LINC-2005

  42. Why Direct Photons? (II) • A+A collisions • Photons don’t strongly interact with fireball • Carry information about early stage of collision • QGP potentially detectable via thermal photon radiation • Thermal photons dominantly from early, hot QGP phase: initial temperature • Direct Photons at high pT • Allow test of Ncoll scaling for hard processes • Important for interpretation of high-pT hadron suppression at RHIC LINC-2005

  43. Window for thermal photons from QGP in this calculation:pT = 1 - 3 GeV/c Realistic Calculation Turbide, Rapp, Gale, Phys. Rev. C 69 (014903), 2004 LINC-2005

  44. Measurement of Direct Photons Handy formula: • Get clean inclusive-photon sample • e.g. subtraction of charged particle background • Measure pT spectrum of p0 and h mesons with high accuracy • Calculate number of decay photons per p0 • Usually with Monte-Carlo • mT scaling for h’, w, … • Finally:Subtract decay background from inclusive photon spectrum LINC-2005

  45. Systematic errors (e.g. energy scale non-linearity)partially cancel in this ratio Cancellation of Systematic Errors LINC-2005

  46. Processes in perturbative QCD Compton: Annihilation: Bremsstrahlung Typically 20-30% uncertainty in pQCD calculations related to choice of scales Compton LO Annihilation Bremsstrahlung Direct Photon Production in p+p: Hard Scattering LINC-2005

More Related