IL PLASMA DI QUARK E GLUONI E LE COLLISIONI DI IONI PESANTI ULTRARELATIVISTICI

1. Scuola Di Fisica Nucleare “Raimondo Anni” (II corso) Otranto, 29 maggio-3 giugno 2006 IL PLASMA DI QUARK E GLUONI E LE COLLISIONI DI IONI PESANTI ULTRARELATIVISTICI Marzia Nardi INFN Torino 3

2. Programma • 1) Introduzione • sistemi di particelle relativistiche • introduzione alla QCD, simmetrie • QCD su reticolo • transizione di fase nel modello a bag • 2-3-4) Collisioni di ioni pesanti ultrarelativistici • fasi della collisione • modello di Glauber e misura di centralita` • espansione, descrizione idrodinamica • segnali di deconfinamento: sonde dure • segnali di deconfinamento: sonde soffici Saturazione partonica: separazione degli effetti di stato iniziale/ finale

3. Hard probes

4. t<0 t=0 0<t<1 fm/c freeze-out adroni QGP t>~10-15 fm/c

5. Soppressione della J/y (charmonio, bottomonio) • jet quenching • fotoni termici • dileptoni termici

6. J/y e partoni ad alto impulso trasverso (jet) vengono prodotti nei primi istanti della collisione tra i nuclei incidenti, in interazioni forti con grande impulso scambiato. • La loro produzione si puo` descrivere in termini di QCD perturbativa (Q>1GeV). • Interagiscono fortemente con il mezzo, ma il loro destino cambia a seconda della natura del mezzo stesso (confinato/deconfinato). Sono quindi veri e propri segnali di deconfinamento. • Le sonde elettromagnetiche (fotoni, dileptoni) vengono emesse dal QGP; interagiscono debolmente con il mezzo attraversato, fuggono facilmente e portano informazioni dirette sul QGP (temperatura, densita`).

7. Soppressione della J/y

8. Proposta 20 anni fa come segnale di deconfinamento (Matsui, Satz), subito suscito` un grosso interesse e stimolo` accurate misure sperimentali. • La J/y e` uno stato legato di quark c-cbar, molto piccolo (r~0.2 fm) e fortemente legato (E~ 650 MeV). • Quindi e` un oggetto molto compatto. • La sezione d’urto di interazione inelastica J/y +h-> D+Dbar e` molto piccola. Un gas adronico e` quindi trasparente alla J/y . • Invece nel QGP il legame tra partoni si indebolisce e la J/y si dissolve nei quark costituenti.

9. La collaborazione NA38, utilizzando uno spettrometro di muoni, era impegnata al CERN-SPS in esperimenti di collisioni con nuclei di O,S,Cu,U. • L’analisi dei dati alla ricerca del segnale di soppressione inizio` alacremente… • MA… SOPPRESSIONE RISPETTO A COSA ?

10. Il processo di produzione di una coppia c-cbar e` duro (gg->c-cbar) e in una collisione NN avviene con probabilita` molto piccola. • In una collisione nucleo-nucleo la probabilita` di produrre una coppia c-cbar e` proporzionale al numero di collisioni NN: • Mediando sul parametro di impatto: <Ncoll>=ABs/sAB • E` naturale quindi studiare la soppressione della J/y in A-B prendendo come riferimento il numero di J/y che ci si aspetta in un numero equivalente di collisioni NN (processo di controllo: DY). • Si definisce la probabilita` di sopravvivenza della J/y :

11. La J/y e` stata studiata in urti pp. • M=3.097 GeV, G=90 KeV • Decade in m+m- con BR~6%. • I quark c-cbar formano altri stati legati: • hc (piu` leggero della J/y ) • cc (E~250 MeV) • y’ (E~50 MeV) • Una frazione consistente (~40%) delle J/y osservate sperimentalmente (in urti pN e pN) provengono da decadimenti radiativi di stati eccitati del charmonio (y’, cc). Bisogna tenerne conto perche’ le considerazioni fatte in precedenza sulla J/y non e` detto che si applichino esattamente allo stesso modo a y’ e cc !

13. J/y c J/y Y’ Y’ J/y J/y c c J/y J/y

14. J/y … J/y … J/y c J/y Y’ … J/y Y’ J/y … c J/y c … J/y J/y J/y

15. J/y J/y J/y J/y J/y J/y

16. Il mezzo (confinato/deconfinato) influisce in modo diverso sui differenti stati del charmonio. • Proprieta` diverse (energia di legame, raggio) implicano • sezioni d’urto diverse per interazioni con adroni e diverse temperature di dissociazione nel plasma.

17. un altro po’ di storia… • Pochi mesi dopo la proposta della soppressione della J/y come segnale di deconfinamento, la collaborazione NA38 annuncio` una forte soppressione in urti O-S, O-Cu. • L’eccitazione pero`si spense quando, andando ad analizzare vecchi dati p-nucleo, si trovo’ una soppressione confrontabile… Cosa succedeva ?

18. Assorbimento prerisonante • La produzione della coppia c-cbar e` istantanea. L’evoluzione in uno stato legato (open/hidden charm) pero` richiede tempo. • Se durante questo tempo la coppia c-cbar subisce interazioni ad alta energia (per esempio con altri nucleoni) l’evoluzione viene disturbata e c’e` una buona probabilita` che la J/y non si formi.

19. La soppressione della J/y in collisioni p-nucleo e` ben descritta da una formula probabilistica basata sul modello di Glauber: • Da un fit dei dati sperimentali (NA38, NA50) si ricava • sabs=4.18 +- 0.35 mb • In urti nucleo-nucleo si generalizza la formula precedente: • I dati sperimentali (fino a S-U) sono ben riprodotti con la stessa sabs

20. NA38/NA50 • Notare i dati Pb-Pb: • seguono l’andamento generale nelle collisioni piu` periferiche, poi deviano ! • Soppressione anomala !

21. I nuovi dati In-In (NA60) seguono lo stesso andamento di Pb-Pb

22. Spiegazioni ? • Sono stati proposti modelli che riescono a riprodurre piuttosto bene la soppressione osservata assumendo la formazione di una fase deconfinata in urti centrali Pb-Pb e In-In.

23. Nel 2005 sono stati pubblicati anche I dati sperimentali di RHIC (PHENIX) • Una grossa sorpresa e` stata l’osservare una soppressione confrontabile con quella misurata ad SPS e praticamente indipendente dall’energia ! • (NB: A RHIC attenzione alla rigenerazione !)

24. Spiegazioni senza QGP ? • La J/y e` soppressa a causa delle interazioni inelastiche con particelle secondarie (gas adronico in espansione). • Problemi: • la sezione d’urto J/y con p,K,… non e` nota sperimentalmente. Calcoli perturbativi (validita` dubbia!) danno una sezione d’urto ~ 0.1 mb • La densita` del gas adronico necessaria per spiegare i dati sperimentali e` irrealistica ! • Nonostante cio` si sono fatti molti tentativi, alcuni dei quali con buon successo per Pb-Pb. Confronto con gli altri sistemi ? • Per quanto ne so, nessun modello adronico fino ad ora proposto e` in grado di spiegare i dati sperimentali di SPS e RHIC simultaneamente.

25. Spiegazione con il QGP • La soppressione osservata a SPS e RHIC e` dovuta esclusivamente alla rimozione delle componenti y’ e cc , perche’ la densita` di energia raggiunta non e` ancora sufficiente a dissolvere la J/y diretta: • La soppressione della J/y si vedra` a LHC !

26. Domandina… • perche` non si e` mai parlato della soppressione della hc ?

27. Ricapitolando… • Uso delle hard probes: • creare la sonda: pp • studiare le proprieta` della sonda: pA • utilizzare la sonda: AB • interpretare i dati sperimentali: TT

28. Altri segnali

29. jet quenching • Una carica di colore che attraversa un mezzo fortemente interagente perde energia in modo diverso a seconda della natura del mezzo. • Mezzo adronico: la carica di colore adronizza immediatamente • Mezzo deconfinato: la carica di colore perde molta energia in seguito ad interazioni, emissione di g

30. Segnale visibile solo dalle energie di RHIC (a SPS i jet non hanno abbastanza energia per essere osservati) • esempio di coppia di jet in una collisione pp (STAR)

31. f f trigger particle • Una particella ad alto impulso trasverso funziona da “trigger”. Si misura la distribuzione di particelle compagne in funzione dell’angolo f. • In urti pp o d-Au si vede un fascio di particelle a 180 gradi, originate dal partone emesso, nel processo elementare, in direzione opposta; il picco appare piu` basso e largo del picco a 0 gradi a causa della risoluzione finita dell’apparato rivelatore (vedere grafico pagina successiva). • In urti Au-Au il picco a 180 gradi scompare, segno che il partone opposto ha perso energia nell’attraversamento del mezzo.

33. I jet osservati sono formati da partoni emessi in prossimita` della superficie e diretti verso l’esterno.

34. confronto g diretti-pioni • mezzo denso: opaco ai pioni, trasparente ai fotoni

35. dileptoni • Emissione termica dal QGP, proporzionale a eM/T prevista nella regione intermedia.

36. fotoni termici • Fondo enorme: fotoni emessi in ogni fase dell’evoluzione del sistema: dalle collisioni primarie NN (fotoni diretti) ai decadimenti delle particelle finali.