1. Úvod 2. Současný pohled na strukturu hmoty 3. Superhorké a superhusté stavy hmoty

1. Mění se vlastnosti částic uvnitř velmi hustého a horkého prostředí?anebjak studujeme vlastnosti silné interakce „No dobrá,“ řekla kočka a tentokrát se ztrácela pomalounku od konečku ocasu až po škleb; ten chvíli ještě potrval, když už ostatek zmizel. „Kočku bez šklebu, to už jsem viděla kolikrát,“ pomyslila si Alenka,“ale škleb bez kočky! Něco tak zvláštního jsem jakživ neviděla!“ Lewis Carroll: „Alenka v Kraji divů” Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ 1. Úvod 2. Současný pohled na strukturu hmoty 3. Superhorké a superhusté stavy hmoty 3.1 Nejteplejší a nejhustší hmota v laboratoři 3.2 Stavová rovnice takové hmoty 3.3 Jak a jaké veličiny měříme? 3.4 Fázové přechody • 4. Jak zkoumat vlastnosti částic v • takovém prostředí • 4.1 Jak získat horkou a hustou • jadernou hmotu • 4.2 Proč využívat vektorové mezony? • 4.3 Jak zachytit di-leptonové páry? • 4.4 Jak výsledky analyzovat? • 4. Co se zatím zjistilo? • 5. Závěr

2. Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení fundamentálních vlastností silných interakcí a vakua Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty Dosažená teplota:~180 MeV = 2,1×1012 K Dosažená hustota:~ 4 ρ0 = 1018 kg/m3 80. léta – začátek studia horké a husté hadronové hmoty Začátek 21. století – studium kvark- gluonového plazmatu studium změn vlastností částic (hadronů) v takové hmotě Výbuch supernovy SN 2006gy v představách malíře Budovaný urychlovač LHC SIS, RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření hadronové a kvark-gluonové polévky

3. Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)? RATOM/RJÁDRO ~ 105→ VATOM/VJÁDRO ~ 1015 Hustota vody 103 kg/m3 Hustota jádra ~1018 kg/m3 Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti

4. Standardní model Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo 0 1) barevný náboj 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony –baryony a mezony) 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie Tři druhy interakcí: Hadrony interagují silně složeny z kvarků elektrický náboj baryony – tři kvarky výměnný charakter interakcí mezony – kvark a antikvark + antičástice tvoří běžnou hmota za normálních podmínek Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje

5. Stavová rovnice – fáze jaderné hmoty „tvrdá“ jako ocelová koule počátek vesmíru plazma pára jaderná srážka „měkká“ jako pružná guma E/A = f(P) = f(ρ,T) atomové jádro nitro neutro- nových hvězd voda led

6. Energetické spektrum vyzařovaných částic • Poměr mezi produkcí různých izotopů nebo částic • Spektra brzdných fotonů Jak měřit teplotu? Jak určit transformovanou kinetickou energii? • Určení počtu produkovaných částic. • Ztracená kinetická energie v podélném směru • Různá centralita srážky → různá velikost přeměněné energie Jak měřit rychlost rozpínání a rozměr? • Dopplerův posuv v energetických spektrech vyzařovaných částic • Interferometrie identických částic Jak určit hustotu? • Určení rozměru a jeho změny v předchozím případě a znalost celkové hmotnosti a energie Jak měřit tlak? Velikost kolektivních toků jaderné hmoty Kolektivní toky nukleonů Rozdělení nukleonů při srážce

7. Fázový přechod jaderné kapaliny v hadronový plyn. Ohřívaná voda Ohřívaná jaderná hmota Fázové přechody jaderné hmoty a vody (H2O) a tvar příslušných potenciálů – jsou podobné, prvního druhu

8. kvark-gluonové plazma Nová forma jaderné hmoty - kvark-gluonové plazma V normálním prostředí jsou barevné kvarky uvězněny v hadronech silnou interakcí zprostředkovanou gluony Uvěznění a asymptotická volnost kvarků jsou základní vlastností kvantové chromodynamiky – teorie silných interakcí David J. Gross, H. David Politzer a Frank Wilczek – Nobelova cena za fyziku 2004 právě za studium silné interakce a roli asymptotické volnosti Při vysoké hustotě energie, vysoké teplotě či hustotě – uvolnění kvarků z hadronů, velká hustota gluonů → kvark-gluonové plazma Frank Wilczek Srážky jader na urychlovači ET> 10 GeV/n Velký třesk v čase kratším než 10 μs

9. Změny vlastností částic (hadronů) uvnitř horké a husté hmoty (studujeme hadronovou hmotu) M(atomu)< M(jádra)+M(elektronů) Platí: vazebná energie Dotýkáme se původu hmotnosti M(jádra)< M(protonů)+M(neutronů) Ale: M(hadronu) > M(kvarků) Hmotnosti volných kvarků (tzv. proudové hmotnosti) u a d mají původ v Higgsově mechanismu a jsou poměrně nízké: mu = 1 - 5 MeV md = 3 - 9 MeV p = uud n = udd Proč 64 kg a ne <1.4 kg? mp = 938 MeV mn = 940 MeV Nukleony jsou mnohem komplikovanější mnohočásticový systém tzv. konstituentních kvarků a vakua z kvark-antikvarkových párů a gluonů vázaný silnou interakcí Hmotnost hadronů dána vlastnostmi silné interakce a symetriemi (jejich narušeními) s ní spojených – chirální symetrie Mění se s hustotou energie v prostředí a intenzitou interakce

10. Jak získat hustou a horkou hmotu? Největší současný urychlovač těžkých jader - RHIC

11. Srážky při relativistických energiích (energie na nukleon blízká nebo několikrát větší než jeho klidové energii) Protony - červené Neutrony - bílé Excitované nukleony - modré Mezony - zelené Simulace hydrodynamického modelu UrQMD E = 10.6 GeV/nukleon E = 1.5 GeV/nukleon Simulace frankfurtské skupiny WWW stránky H. Webera

12. Srážky při ultrarelativistických energiích (energie na nukleon větší než 100 GeV  vysoce převyšuje jeho klidovou energii) Protony - červené Neutrony - bílé Excitované nukleony - modré Mezony - zelené Simulace hydrodynamického modelu UrQMD E = 200 GeV/nukleon E = 5000 GeV/nukleon Simulace frankfurtské skupiny WWW stránky H. Webera

13. Cesta vzniklých částic a jejich zachycení detektory experimentu Phenix Doba existence horké a husté jaderné hmoty: ~ 10-22s Cesta vzniklých částic k detektorům : ~ 10 ns = 10-9 s Srážka jader zlata z pohledu experimetu Phenix Vyznačeny dráhy detekovaných částic

14. Detekce e+e- párů určení invariantní hmotnosti vektorového mezonu Vektorové mezony a jejich vlastnosti Detekce rozpadu na pár elektron a pozitron → nepoznamenaná informace o vlastnostech částic Spin vektorových mezonů je 1, skalárních pak je 0 mezonDominantníP(e+e-) m [MeV] Γ [MeV] τc [fm=10-15m] rozpad ρ0ππ 4,5.10-5770 MeV 149,2 1,3 ωπ+π-π06,9.10-5782 MeV 8,49 23,4 ΦK+K-2,9.10-51019 MeV 4,26 46,3 průměr jader: od 2 fm do 16 fm Změna hmotnosti i doby života

15. svazek Spektrometr High AcceptanceDi-lEpton Spectrometer Mezinárodní experimentální zařízení pracující na urychlovači SIS v GSI Darmstadt Cíl: Studium vlastností vektorový mezonů uvnitř jaderného media Nutno splnit:1) Efektivní identifikace elektronů a pozitronů na pozadí obrovského množství hadronů 2) Co nejefektivnější výběr případu vhodných případů už během nabírání dat 3) Co nejpřesnější určení hybnosti zaznamenaných částic (určení invariantní hmotnosti)

16. Rozložený spektrometr HADES

17. Srdce spektrometr – Čerenkovův detektor Reaguje jen na částice, které se pohybují rychlostí větší než rychlost světla v daném prostředí Závisí na indexu lomu prostředí Hraniční rychlost:βmin = 1/n Plyn C4F10 Elektron me=0,511 MeV/c2 → lehce dosáhne potřebné rychlosti Mezony více než 200 krát těžší

18. Jak určit hybnost částic? – magnet a mnohodrátové driftové komory Čtyři vrstvy komor, dvě před magnetem a dvě za magnetem Mnohodrátová komora – několik vrstev drátů v různém směru. Určení místa z polohy a doby driftu náboje Přesnost v řádu desítek μm Komory před magnetem Komory za magnetem Supravodivý magnet B ~ 0,9 T heliové teploty Změní směr pohybu nabitých částic Relativistické rychlosti → nutnost velké intenzity pole z dráhy určíme hybnost

19. Jak sbírat jen užitečné případy – TOF stěna ze scintilátorů Scintilační detektory – velmi dobré časové rozlišení ~130 ps

20. Určení rychlosti z doby letu • Určení polohy z polohy tyče a rozdílu času v levém a pravém fotonásobiči • Určení náboje z ionizačních ztrát – jak velký byl signál ve scintilátoru Možnost vytvářet rychlý trigr – počet částic (čím větší tím centrálnější srážka)

21. d p p+ p- Pomoc při identifikaci – TOF a detektor spršek Detektor spršek: pozitrony a elektronyprodukují v olovuelektromagnetické spršky Odlišení leptonů od hadronů Výběr částic s rychlostí světla pomocí TOF e+ e-

22. Čerenkov drátové komory a magnet TOF a sprškový detektor

23. Nutnost plného pochopení produkce a rozpadu standardních, dobře známých částic Pozorování počtu produkovaných mezonů π v závislosti na hybnosti (vyjádřená v ekvivalentních kinematických veličinách) Možnost určit teplotu zdrojů, které je produkují Musí souhlasit s výsledky předchozích experimentů ! Souhlasí Stejně tak musí souhlasit produkce nukleonů, jejich multiplicity, úhlová rozdělení

24. Testy v experimentu se srážkami p + p při energii 2,2 GeV Hlavní úkol: otestovat přesnost určení efektivity detekce dileptonových párů Terč kapalný H2 Svazek: 107 p/s Hadronové a dileptonové kanály rozpadu mezonů π0 a η jsou velice dobře známy REXP = 15,3 ±1,8 RSIM = 15,6 ± 0,9

25. kombinato- rické pozadí Au+Au 1 GeV/n 10-6 η → e+e- ρ→ e+e- ω→e+e- φ→e+e- 10-8 pn 10-10 π+π- anihilace 0.4 0.8 1.2 M(e+e-)[GeV/c2] Δ – Dalitzův rozpad brzdné záření rozpad mezonu η Další zdroje di-leptonů – komplikované pozadí Důležité hybnostní rozlišení Zdroje párů e+e-: Dileptonový „koktejl“ Vytváří se tzv. dileptonový koktejl Kombinatorické pozadí – kombinace elektronu a pozitronu s různých zdrojů velmi důležité jeho popsání

26. e+ r kombinatoricképozadí e+ g e- e- koktejl  n  p p  ++ K 

27. HADES CERES – SPS CERN • Dileptonový koktejl – experiment body s chybami • Poměr experiment ku koktejl A Předpověď- rozpad částic ve vakuu A – jen částice rozpadající se uvnitř horké a husté hmoty B – i částice rozpadající se vně horké a husté hmoty

28. HADES: právě probíhající experiment Produkce mezonů ω ve srážkách p + p a d + p Částice detekované v HADESU současně s detekcí protonu v přední stěně (nový detektorový systém HADESu) Velmipředběžné Detekceh awdileptonových rozpadů

29. Závěr • Srážky těžkých jader- možnost studia i velmi horké a husté hmoty vyskytující se jinak jen ve vesmíru • Hlavním úkolem je pochopení vlastností systému interagujícího silnou interakcí a silné interakce samotné. • Podrobné studium vlastností hadronů uvnitř horké a husté hmoty pomocí dileptonových párů – ideální objekty jsou vektorové mezony ρ, ω a Φ • Spektrometr HADES – ideální přístroj pro takové studium • Pozorovaná data ukazují náznaky změn hmotnosti vektorových mezonů • Po dokončení výstavby začal spektrometr nabírat fyzikální data, důležitý je přechod k těžším systémům a provedení systematického studia srážek různých systémů za různých energiích • Účast českých fyzikůz ÚJF AVČR, příležitost i pro studenty