370 likes | 520 Views
Produkcja cząstek w wysokoenergetycznych zderzeniach ciężkich jonów. Dlaczego się tym zajmujemy? mechanizm powstania hadronów (podróż do początków wszechświata) własności materii jądrowej w stanach ekstremalnych (dużej temperatury i gęstości)-> równanie stanu materii jądrowej (ewolucja gwiazd)
E N D
Produkcja cząstek w wysokoenergetycznych zderzeniach ciężkich jonów • Dlaczego się tym zajmujemy? • mechanizm powstania hadronów (podróż do początków wszechświata) • własności materii jądrowej w stanach ekstremalnych (dużej temperatury i gęstości)-> równanie stanu materii jądrowej (ewolucja gwiazd) • własnośći oddziaływań silnych (QCD) • własności hadronów w gęstej i gorącej materii jądrowej problem generacjo mas hadronów
Program I) Ogólny opis produkcji cząstek w zderzeniach jonów: • zmienne kinematyczne opisujące produkcję cząstek • ogólna charakterystyka obszarów badań (BEVELAC/SIS, AGS, SPS, RHIC,LHC) • model termiczny i statystyczny produkcji cząstek: założenia i porównanie z eksperymentem • produkcja cząstek dziwnych, powabnych II) Własności hadronów w materii jądrowej • symetria chiralna a pochodzenie mas hadronów • pojęcie funkcji spektralnej • spektroskopia dielektronów i dimionów III) Poszukiwanie plazmy kwarkowo-gluonowej • obserwacje „jet”-ów, czynnika jądrowego oraz pływu materii w zderzeniach URHIC IV) Metody eksperymentalne: przykłady detektorów (detektory będą omawiane przy okazji przykładów eksperymentów)
Natura Quark-Gluon Plasma Dziś Nukleony Jądra at. Atomy Big-bang 10 –6 sec 10 –4 sec 3 min 15 miliardów lat Experiment Back to big-bang Podróż do początku wszechświata
t=300 000 lat ~ 1 eV ~3000 K t=10-12 s ~ 1 TeV -LHC
dzisiaj Hubble Expansion Ekspansja Hubble powstanie galaktyk dominacja materii Promieniowanie tła Nukleosynteza powstaniehadronów Materia kwarkowo gluonowa Grand unification Planck epoch Kalendarz wszechświata T = 100 MeV T = 1.16*1012 K słońce : T=1.1*107 K Reakcje ciężkojonowe URHiC
Dowody na "wielki wybuch" • Ekspansja wszechświata (prawo Hubbla) • Promieniowanie tła • Nukleosynteza • Czy można odwrócić bieg czasu i odtworzyć hadrosynteze z materiiKwarkowo-Gluonowej?
Ekspansja wszechświata Pomiar prędkości ucieczki gwiazd poprzez przesunięcie ku czerwienilini spektralnych gwiazd (Efekt Dopplera) Pomiar odległości poprzez pomiar jasnościgwiazdzmiennych (Cefeidy)-wzorcowa świeca wszechświata
Ekspansja wszechświata Pomiar prędkości ucieczki gwiazd poprzez przesunięcie ku czerwienilini spektralnych gwiazd (Efekt Dopplera) Linie absorpcji wodoru Vźródła e p Słońce Daleka gwiazda
Ekspansja wszechswiata E. Hubble, 1924 V = H · D Gwiazdy i galaktyki oddalają się od ziemi z prędkością (V) która zwiększa się z odległością (D) <H> = 70 km/s Mpc = 1/(15 ·109lat) ~ Hubble: co 5 sekund objętość wszechświata powiększa się o przestrzeń zajmowaną przez Drogę Mleczną
Wielki wybuch Ekspansja ze stałą prędkością oznaczaże przed 15 Miliardamilatpowstał wszechświat. Wiek wszechświata= D/V = 1/H
Pozostalość po wybuchu-poświata… promieniowanie ciała doskonale czarnego o T=2.725 K 2001-2006 Satelita WMAP odstępstwa od T=2.725 w skali 0.0002K ! 1989 satelita COBE Poświata z wszechświata który miał 380.000 lat i T=3000 K ! Wilson, Penzias’1964 -1978 Nagroda Nobla
Nukleosynteza Materia widzialna we wszechświecie składa się głównie z : wodoru (H), Helu (4He), deuteru (2H) , trytu (3He) , Litu (7Li) w stosunku; 0.25 4He/H 10−32H/H 10−43He/H 10−97Li/H Model W. Wybuchu odtwarza te stosunki!
Materia we wszechświecie • Znamy tylko 4% wszystkiego co nas otacza !! • co stanowi ciemną materię „Dark matter”? • co jest ciemną energią ? • dlaczego wszechświat „widzialny” składa się tylko • z materii a brak jest anty-materii?
Jak zbadać własności materii 10 mikrosekund po wielkim wybuchu?Czy własności hadronów (ich masy, rozpady) były wtedy takie jak dziś? poprzez produkcja cząstek w zderzenia relatywistycznych ciężkicj jonów
Nucleon confinement (związanie) de-confinement Quark-Gluon matter nucleus
Przebieg reakcji (ultra-relatywistycznej) Materia jądrowa: r0 = 0.17 /fm3 e0 = 0.16 GeV/fm3 przed zderzeniem Quark-Gluon Plasma Zderzenie podgrzanie i kompresja • r = 1.2 /fm3 • e = 3 GeV/fm3 • 4*10 -23s 10 fm/c • 1. Czas hadronizacji we wczesnym wszechświecie znacznie dłuższy ~ 30 s ( grawitacja !) • 2. Symetria materia-antymateria "fireball" Ekspansja i "zastygnieńcie składników". Pomiar T Brak oddziaływań pomiędzy hadronami Czas
p L p K f e jet m g QGP Au Au Ewolucja w czasie zderzenia (Bjorken) Czas g e T = 120 MeV e = 0.06 GeV/fm3 T = 170 MeV e = 0.6GeV/fm3 Ekspansja T = 230 MeV e = 3 GeV/fm3 To = 0 MeV eo = 0.16 GeV/fm3 Przestrzeń 200 AGeV "collider"
Diagram fazowy materii jądrowej 4x1012 Quark-Gluon Plasma 3x1012 3x1012 Temperature (K) 2x1012 Nuclear matter 1x1012 0 0 1 x 1018 2 x 1018 Density (Kg/m3) trajektoria reakcj A+A
Fireball-kula ognista Photon Pion Kaon Lambda J/Psi pary e+e-
Jak określić temperaturę? Z widma promieniowania fotonów (innych cząstek?) • Np: dla słońca poprzez pomiar fotonów i prawo Plancka • Dla wszechświata dzisiaj- promieniowanie tła (2.73 K)
Pomiar temperatury powierzchni słońca Intensywność długość fali (nm) Widmo fotonów: rozkład bozonów Plancka M. Planck 1900 T = 6000 K gęstośc fotonów = 4 ·1012Photon/cm3
Pomiar temperatury materii poprzez pomiar widm emitowanych cząstek Widmo pionów Intensywność Energia kinetyczna T = 100 MeV T = 1012 K 100 000 bardziej gorące niż słońce ! Nachylenie widma ~Temperatura w momencie zastygnięcia fireball thermall freeze-out Slope T = 100 MeV Rozkład Boltzmana cząstek termicznych (nierelatywistyczny):
Energia termiczna (kT) może być zamieniona na energię nowych cząstek (mc2 ) Prawdopodobieństwo produkcjirozkład Bolztmana dn~ m-3/2exp(-Ekin/kT) Określenie abundancji cząstek pozwala na określenie temperatury i gęstości materii w momencie produkcji hadronów "chemical freez-out"
Temperatura Rozszerzająca się „kula ognista” Massa cząstki Obserwacja: ‘Temperatura zależy od masy cząstek" powód: Kula ognista rozszerza się z prędkością V. Materią uległa kompresji: Ekin 3/2kT + ½ mV2 T = 120 MeV Vekspansji = 0.55 c bezekspansji źródła keine Expansion
Charakterystyka „mikro-wybuchu” prprędkość rozsz. [v/c] 130 MeV Temperatura [MeV] Energia wiązki
√sNN [GeV] // // // // 10-30 158 [A GeV] // // // // 5.5 TeV! 17 200 GSI/Bevelac FAIRCERN RHIC LHC Bariony Hadrony(mez+barion) Partony(SQGP) ???? + partrony? 1-2 2 5-8
Akcelaratory • NN->NNX X=mezon, para barion antybarion • Energia progowa: s=2*MN + MX • ale do tworzenia cząstek o nowym zapachu potrzeba więcej energii (stowarzyszona produkcja!) • np dziwność: NN->N K+ (S=1) (S=-1)
SIS 100 SIS 18 2T (4T/s) magnets 18Tm (1.8 T magnets) U28+ 2.7 GeV/u 1012 ions/s protons 30 GeV 2.8x1013/s U73+ 1.0 GeV/u 109 ions/s Ni26+ 2.0 GeV/u 1010 protons 4.5 GeV 2.8x1013/s SIS 300 6T (1T/s) magnets U92+ 34 GeV/u 1010 s Secondary Beams Radioactive beams up to 1.5 GeV/u Antiprotons up to 30 GeV Storage and Cooler Rings Radioactive beams e-A collider HESR: Antiprotons 1.5- 15 GeV GSI-FAIR (od 2014) PANDA HADES p = Z/A*0.3*B*R [T, GeV/c]
CERN • SPS : 1986 - 2003 • S and Pb ; up to s =20 GeV/nucl pair • hadrons, photons and dileptons • LHC : starting 2007 • Pb ; up to s = 5.5 TeV/nucl pair • ALICE and CMS experiments BNL • AGS : 1986 - 2000 • Si and Au ; up to s =5 GeV /nucl pair • only hadronic variables • RHIC : 2000 • Au ; up to s = 200 GeV /nucl pair • hadrons, photons, dileptons, jets
BRAHMS PHOBOS STAR PHENIX RelativisticHeavyIonCollider RHIC
Large Hadron Collider LHC am CERN Energie in einer Blei-Blei Kollision 1150 TeV = 0.18 mJ Faktor 300 höher als in SPS Experimenten sehr heisser Feuerball! T = 1000 MeV
NA49 at SPS Pb+Pb @ 158 GeV/nucleon
ALICE @ LHC TRD TPC ITS 60000 naladowanych czastek Start w 2008!