Tökéletes folyadék a RHIC gyorsítónál

1. Tökéletes folyadék a RHIC gyorsítónál Csanád Máté (PhD hallgató, ELTE) Témavezetők: Csörgő Tamás (KFKI RMKI), Roy Lacey (Stony Brook) és Kiss Ádám (ELTE) MTA osztályülés: A fizika fejlődési irányai 2006. május 10.

2. fermionok kölcsönh. bozonok u up c charm t top g gluon kvarkok erős d down s strange b bottom g photon elektro-mágneses gyenge ne electron neutrino nm muon neutrino nt tau neutrino Z Z boson leptonok W W boson e electron m muon t tau A részecskék Standard Modellje • Elektron elemi részecske • Proton, neutron, hadronok nem azok  kvarkok • Három kölcsönhatás, közvetítő bozonok • Erős, gyenge, elektromágneses töltés • Erős töltés: szín  QCD: kvantum-szín-dinamika

3. Mit, miért és hogyan? • Elméleti igény: QCD fázisszerkezete, az ősrobbanáshoz hasonló körülmények vizsgálata • A 2004-es fizikai Nobel-díj: QCD aszimptotikusan szabad  nagy hőmérsékleten gáz plazma, kvarkok és gluonok? • Az elérhető legnagyobb hőmérséklet: nehézion ütközések! • Kísérlet: nehézionok ütköztetése • Kísérlet építése: óriási pénzügyi elkötelezettség (1Mrd USD főleg USA és Japán, de az egész világ vezető országai) • BNL (USA): 2000-től, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) • CERN (Európa): 2007-től, Large Hadron Collider (LHC) Lásd Vesztergombi György: ALICE a TeVek országában

4. Tc A QCD fázisdiagramja • Új halmazállapot(ok?) • Hadronok  QCD plazma? • Elméleti számítások: Tc=176±3MeV (~2 terakelvin) (hep-ph/0511166)

5. A Nagy Bumm • Korai univerzum: forró, táguló rendszer • Kvarkanyag, kvark-gluon plazma • Protonok, neutronok kifagyása

6. Nehézion-ütközések: Kis Bumm • Nukleon-olvasztás • Kvarkok bezárása ill. kiszabadítása • Hasonlat: jégből víz vagy gőz • Szárazjég? Vízjég? • Nagy energiájú ütközéssel mindez elérhető (?) • Nehézionok ütközése: forró, táguló rendszer • Elég forró? Régi-új anyag?

7. Kutatási helyszínek: CERN • SPS: Pb+Pb @ Ecms= 17 GeV/nukleon (17 AGeV) • h+p, p+p, p+Pb, Pb+Pb ütközések • 7+ kísérleti együttműködés: NA44, NA45, NA49, NA50, NA52, NA57, NA60, WA98 • KFKI-ELTE részvétel az NA49 kísérletben • LHC • 2007: főleg p+p fizika; ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM • 2008: nehézionfizika program is indul; ALICE, CMS,...

8. Elfogadott fejlesztési programok: Kutatási helyszínek: BNL • RHIC: Au+Au @ Ecms = 200AGeV • Au+Au, Cu+Cu,pp+pp,d+Auütközések • 4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STAR • Magyar részvétel a PHENIX-ben: • KFKI: Csörgő T., Hidas P., Ster A., Sziklai J., Zimányi J., • ELTE: Kiss Á., Csanád M., Deák F. • DE: Dávid G., Tarján P., Imrek J., Vértesi R., Veszprémi V.

9. PHENIX • Fotonok, elektronok, müonok, hadronok azonosítása • A reakció összes szakaszának vizsgálata • Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik • Hadronok: kifagyáskori állapot

10. A PHENIX csoport

11. 1. mérföldkő: új jelenség • Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján • Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerzővel: Ster András

12. 2. mérföldkő: új anyagfajta • d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség • Nem az Au mag szerkezetmódosulása • Au+Au: új anyag • PHENIX-Magyarország együttműködés: 10 magyar a PHENIX szerzői listán

13. Top Story 2005 Amerikai Fizikai Intézet: 2005 lefontosabb eseménye! PHENIX: 3x AIP Top Physics Story RHIC első éveit összegző cikkek: Top Physics Story #1 2005 http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0410003, 153 hivatkozás (2006. május 10.)

14. A részecskesugarak elnyelődése • Nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése: jet-quenching  sűrű, erősen kölcsönható (ragacsos) anyag • Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő

15. Nukleáris modifikáció (PHENIX) • Ellentétes függés az ütközés frontálisságától • d+Au: Cronin-effektus (részecskék újraszóródnak  növekmény) • Au+Au: Új jelenség: elnyelődnek a nagyenergiás részecskék (jetek) • Keletkező új anyag: részecskesugarak elnyelése (jet quenching)

16. Szögeloszlások (STAR) • Nagyenergiás részecskesugarak szögkülönbség-eloszlása • Kifutó irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik • Befutó irány: Au+Au-ban elnyelődés, p+p és d+Au-ban nincs • A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon pedestal and flow subtracted

17. Elliptikus folyás (v2) • Ritka gáz esetében v2 nulla • Hidrodinamikai viselkedés: v2 > 0 M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. http://arXiv.org/abs/nucl-th/0512078

18. Kísérleti tapasztalatok összegzése • Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag • Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék • Sikertelen számítások viszkózus modellekkel • Siker elhanyagolható viszkozitás mellett • Hasonlat • Egyszerre kiszabaduló sok rab • Kis térrész, „tolongás”, gyakori kölcsönhatások, termalizáció, folyadék-viselkedés! • A tökéletes meglepetés: a felfedezett új anyag tökéletes folyadék (nincs viszkozitása és hővezetése)

19. Csanád, Csörgő, Ster, nucl-th/0310040, nucl-th/0311102, nucl-th/0403074 Elméleti eredmények (hidro) • Térfogat 1/8 részében 2.3 terakelvin (2 terakelvin felett olvadás) • Kezdeti szakaszban 5 terakelvin • Ezen a hőmérsékleten nem gáz, hanem folyadék! v2 spectra v2 spectra

20. Hidrodinamikai kép jelentős sikere • Hanbury-Brown és Twiss: kvantumoptika a forrásméret mérésére  HBT sugarak • Korai jóslat: nagy asszimetria • Buda-Lund hidro: skálaviselkedése, kis asszimetria • Hirtelen hadronizáció jóslata • Több mint 50 modell képtelen volt leírni (utólag!!) • Elsőrendű fázisátalakulás is kizárható Csörgő, Csernai (Phys.Lett.B333:494-499,1994) Csörgő, Lörstad (Phys.Rev.C54:1390-1403,1996)

21. I1/I0 Univerzális skálázás • Buda-Lund hidro: skálafüggvény jóslata (2003) • PHENIX (2005), PHOBOS (2006) és STAR (2005) adatok egybeesnek • Tökéletes folyadékból kapott jóslat TELJESÜL! Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster (Nucl. Phys. A742:80-94,2004) Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster et al. nucl-th/0512078

22. A skálázás sérülése • Hidrodinamikai skálázás sérül  kvark szám skálázás kezdődik • Kvarkok folyadéka! (részletes analízis még hátravan) • R. Lacey, nucl-ex/0510029 és M. Oldenburg, nucl-ex/0510026 Kvarkanyag 2005 világkonferencia Budapesten

23. Újabb várható mérföldkövek • Az új anyag mélyebb ismerete komoly kísérleti kihívás, de belátható közelségben: • Mik hordozzák a szabadsági fokokat? • Tömeges kvarkok és gluonok? Királis szimmetria? • Állapotegyenlet? • Fázisátmenet rendje? Folytonos átmenet (crossover)? • Új adatokra, a megértés mélyebb és szélesebb szintjére van szükség (Run-5, Run-6, …) • Érdekességek, továbbfejlesztések: • Honnan ered a proton spinje?Spin fizika a RHIC–nél • Magasabb luminozitás: RHIC II • A QCD újabbfázisainak vizsgálata: eRHIC (e+p) • CGC: Színes (gluon)üveg kondenzátum

24. Konklúzió • Tökéletes folyadék halmazállapot létrehozása a RHIC Au+Au ütközésekben • PHENIX mostantól igazán produktív • PHENIX (RHIC) még min. 10 évig meghatározó • 2008-tól LHC Pb+Pb, 2009-től eredmények • A felfedezések korának kapuja kitárult a magyar diákok és kutatók számára is!

25. PHENIX összefoglaló, Kvarkanyag ‘05 Visszautasíthatatlan ajánlat!! Az új anyag sűrű Az új anyag megolvasztja és újragenerálja a J/y részecskéket Kísérlet és elmélet vállvetve megmérheti is kiszámolhatja az új anyag tulajdonságait Az új anyag módosítja a jeteket Az új anyag forró Az anyag erősen csatolt

26. Köszönöm a figyelmet Köszönetnyilvánítás: MTA OTKA Amerikai - Magyar Fulbright Alapítvány NATO CLG program

28. Kísérletek • Gyorsító adatok: körív: 3.8 km cms energia: 19-500 AGeV sebesség: 99.995% c felhasznál: protonok, deutérium, réz és arany atommagok nyalábok: 2 szembemenő nyaláb, mindegyikben ~120 „csomag” luminozitás: 2 x 1026cm-2 s-1 (Au+Au, 106 ns átfedésekkel) előállít: több ezer új részecskét ütközésenként hőmérséklet: trillió K alapanyag: 20 év alatt 1 gramm arany üzemel: 2000-től LHC (CERN) 2007-től körív: 27 km (LEP átalakítva) energia: 14 ATeV (korábban: fix target, SPS: Ecms ~ 17 AGeV Pb+Pb)

29. Sajtóanyagok http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0410003 128 hivatkozás (2006. február 21)

30. Sajtóanyagok

31. Kísérleti módszer elnyelés közegben Új anyag? Mi lehetne referencia? Kapcsoljuk ki a közeget  d+Au ütközések A „kifutó” részecskesugár nem nyelődik el A „befutó” sugár elnyelődik

32. PLB505:64-70,2001hep-ph/0012127 Hydro equations + EoS Self-similar solution: Source S(x,p) Phase-space distribution Boltzmann-equation PRC67:034904,2003hep-ph/0108067 PRC54:1390-1403,1996hep-ph/9509213 Observables N1(p), C2(p1,p2), v2(p) How analytic hydro works Scheme works also backwords* *For a certain time-interval

33. cs2 = 2/3 cs2 = 1/3 Sensitivity to the EoS • Different initial conditions, different equation of statebut exactly the same hadronic final state possible. (!!) • This is an exact, analytic result in hydro( !!)

34. Buda-Lund hydro • 3D expansion, symmetry • Local thermal equilibrium • Analytic expressions for the observables (no numerical simulations, but formulas) • Reproduces known exact hydro solutions (nonrelativistic, Hubble, Bjorken limit) • Core-halo picture

35. A useful analogy • Core  Sun • HaloSolar wind • T0,RHIC  T0,SUN  16 million K • Tsurface,RHIC  Tsurface,SUN  6000 K • RG Geometrical size • t0 Radiation lifetime • <bt>  Radial flow of surface (~0) • DhLongitudinal expansion (~0) Fireball at RHICFireball Sun

36. Buda-Lund fit results • T0>Tc by 2-5 s, indication for deconfinement in Au+Au and p+p, based on lattice QCD (Tc162MeV) • Finite Rs at the freeze-out  not phase transition, crossover • No radial flow in p+p  1D Hubble, spectra slope  T0 • 3D Hubble flow in Au+Au (1/t0 ut’/Rs) • CERN SPS also fitted, but T0<Tc there! M.Cs., T.Csörgő, A. Ster, B. Lörstad: Quark Matter 2004,J.Phys.G30: S1079-S1082,2004; nucl-th/0403074 T. Csörgő, M.Cs., B. Lörstad, A. Ster: WWND’04, Submitted to Heavy Ion Physics; hep-ph/0406042

37. Big Bang vs. Little Bang • Developed Hubble-flow at RHIC and in the Universe • Universality of the Hubble expansion: un= Hrn • Hubble constant of the Universe: • H0= (71±7) km/sec/Mpc • converted to SI units:H0= (2.3 ± 0.2)×10-18 sec-1 • Hubble constant in Au+Au collisions at 200 GeV • HRHIC,long = <ut’>/Rs (3.8 ± 0.4)×1022 sec-1 • HRHIC,trans = 1/0 (5.1 ± 0.1)×1022 sec-1 • Ratio of expansion rates: • HRHIC / H0 2×1040 • Really equals approx. the ratio of the ages! • 15×109 yrs vs. 7fm/c

38. Main axes of expanding ellipsoid: • 3D expansion, 3 expansion rates: • Introducing momentum-space eccentricity: • Hubble type of expansion: • Aprroximation: • Additionally: Ellipsoidal generalization • Axially symmetric case: RG, ut M.Cs., T.Csörgő, B. Lörstad: Nucl.Phys.A742:80-94,2004; nucl-th/0310040

39. ‘Friedmann-equation’ ofheavy ion physics • From the hydro solution of the expanding ellipsoid: • This relates to the following Hamiltonian: • Direction-dependent Hubble-flow:

40. The elliptic flow • One-particle spectrum: • Pseudorapidity dependence mostly not understood (except see Hama/SPHERIO) • The m-th Fourier component is the m-th flow • Depends on pseudorapidity and transverse momentum

41. Universal scaling • Scale parameter w The perfect fluid extends from very small to very large rapidities at RHIC

42. Thanks for your attention Spare slides coming …

43. Nonrelativistic hydrodynamics • Equations of nonrelativistic hydro: • Not closed, EoS needed: • We use the following scaling variable: • X, Y and Z are characteristic scales, depend on (proper-) time

44. A nonrelativistic solution • A general group of scale-invariant solutions (hep-ph/0111139): • This is a solution, if the scales fulfill: •  (s) is arbitrary, e.g.  constant   gaussian, or: Buda-Lund Bondorf-Zimanyi-Garpman

45. Some numeric results from hydro • Propagate the hydro solution in time numerically:

46. Time dependence • Blastwave or Cracow model type of cooling vs Buda-Lund cooling, cs2= 2/3, half freeze-out time see: http://csanad.web.elte.hu/phys/3danim/

47. A relativistic solution • Relativistic hydro: with • A general group of solutions (nucl-th/0306004): • Overcomes two shortcomings of Bjorken’s solution: • Rapidity distribution • Transverse flow • Hubble flow  lack of acceleration

48. Társadalmi visszhang • Big Bang machine gets down to work MSNBC News, 2000. jún. 14., http://www.msnbc.com/news/314049.asp?cp1=1 • The Matter of the Big Bang Times of India, 2000. jún. 25http://timesofindia.indiatimes.com/cms.dll/html/uncomp/articleshow?msid=31830 • 'Little' Big Bang stumps scientist CNN, 2002. nov. 20. http://www.cnn.com/2002/TECH/space/11/13/little.bang/ • In a Lab on Long Island, a Visit to the Big Bang New York Times, 2003. jan. 14. • Scientists Report Hottest, Densest Matter Ever Observed New York Times, 2003. jún. 19. http://www.nytimes.com/2003/06/19/science/19PLAS.html • RHIC unveils new results PhysicsWeb, 2003. jún. 19. http://physicsweb.org/article/news/7/6/14

49. Magyar részvétel • Megalakult a PHENIX-Magyarország, 10 magyar a PHENIX cikkeken • Debrecen: 1996 óta, • Dávid Gábor: ős-PHENIXes • Tarján Péter, Vértesi Róbert, Imrek József: sok fiatal diák • KFKI RMKI: 1998 óta • Columbia University - KFKI RMKI együttműködés, (Gyulassy M., B. Cole, W. A. Zajc) • Csörgő Tamás: elméleti fizika felől nyitás a kísérletek felé • Ster András: a kísérlet indulása óta részt vesz a mérésekben • Speciális feladatok: frontalitás meghatározás (ZDC), korrelációk vizsgálata (HBT), végállapot rekonstrukció • Veres Gábor: PHOBOS és MIT • Azonosított részecskék analízise, trigger rendszer • ELTE: szabad a pálya a magyar diákoknak!

50. A brookhaveni komplexum