Collisioni ultrarelativistiche di ioni pesanti: 4 lezione

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Transcript Collisioni ultrarelativistiche di ioni pesanti: 4 lezione

Fisica Subnucleare
Modulo: collisioni ultrarelativistiche
di nuclei pesanti
4a lezione
Dr. Francesco Noferini
Fisica subnucleare - F. Noferini
Lunedì 23/05/11, 12-14
1
Sommario del modulo
• Motivazioni: il deconfinamento
• Collisioni nucleo-nucleo
• Risultati sperimentali in collisioni nucleonucleo (SPS,RHIC)
• Risultati ad LHC e prospettive
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LHC (Large Hadron Collider)
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L’esperimento ALICE
• Capacità di rivelare diversi tipi di segnali (fisica
variegata):
– Alte molteplicità;
– Identificazione delle particelle;
– Misure di impulso;
– Segnali leptonici (elettroni, muoni, …);
– Misure di centralità;
– Fotoni e segnali ad alto pT.
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Il rivelatore ALICE
Solenoid magnet 0.5 T
TOF
TRD
TPC
HMPID
PMD
ITS
FMD
T0,V0,ZDC
Muon Arm
PHOS
5
Range di identificazione in ALICE
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Produzione di particelle in collisioni pp
Confronto (entro 1 ) tra ATLAS, ALICE, CMS
a parità di condizioni sperimentali
η = -1
η=0
η=1
 45o
z
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Distribuzione di energia
Distribuzioni di impulso (energia) delle
particelle prodotte in collisioni pp all’energie
nel centro di massa di 900 GeV e 7 TeV.
Riferimento per collisioni PbPb e fisica dei jet
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Distribuzioni per particelle
identicate
TOF range
Particelle d’impulso trasverso superiore a 0.5 GeV/c sono
state identificate utilizzando il TOF (sez. Bologna)
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Rapporti di particelle
y  0.5
A LHC sono stati misurati i rapporti di particelle
a volori di energia e di impulso trasverso più
alti rispetto agli esperimenti precedenti.
Aumento della produzione di mesoni con
stranezza.
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Collisioni PbPb
Event display di ALICE in collisioni PbPb
Nel passaggio dalle collisioni pp a quelle PbPb si passa a
scenari di elevatissima molteplicità di particelle (diverse
migliaia in questo event display)
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Centralità in collisioni ione-ione
Parametro di impatto
Quark e gluoni prodotti nei primi
istanti della collisione
b
Nucleoni (n,p) che non partecipano
alla collisione
Regione di sovrapposizione dei due
nuclei
La centralità della collisione può essere
espressa anche in termini dei nucleoni
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che
partecipano alla collisioni (Npart) 12
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dNch/dh vs. centralità (PbPb)
Molteplicità di particelle cariche in eventi
PbPb in funzione della centralità
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Fino a 1600 tracce cariche
per unità di rapidità nelle
collisioni più centrali
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Distribuzioni per particelle
identicate (pp vs. PbPb)
Le distribuzioni in impulso delle particelle hanno comportamenti diversi
passando da collisioni pp a collisione PbPb (per esempio la produzione dei
protoni si avvicina ad alto impuslo a quella dei pioni in collisioni centrali)
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Identificazione di particelle in singoli
eventi
L’elevata moltiplicità in
collisioni PbPb centrali
consente di misurare
chiaramente i picchi delle
particelle maggiormente
prodotte in singoli eventi.
Fluttuazioni nei rapporti,
evento per evento, danno
informazioni sulla dinamica
nel meccanismo di
produzione di particelle.
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Antimateria
Segnali di
anti-elio osservati
da ALICE in eventi
PbPb MB.
Alcuni candidati 4He
selezionati.
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SPS: J/ψ suppression
Soppressione della
J/ψ in funzione della
densità di energia
nella collisione.
1 dE

Sc 0 dy
y 0
Bjorken’s formula
Transverse dimension S :
2
S    RPb
RA  1.2fm  A1/ 3
RPb  1.2fm (208)1/ 3  7.1fm
S  160fm2
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J/ψ a LHC (collisioni pp)
La produzione della J/ψ in
funzione dell’energia segue
l’andamento delle previsioni
pQCD al NLO
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Strong QGP: il flusso ellittico
dN/dφ
L’espansione è guidata da
un gradiente di pressione
Le particelle sono emesse
più probabilmente lungo il
piano di reazione
2v2
d 3N
1
dN 

E 3 
1   2vn cosn  R 
dp
2 pt dpt dy  n1

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Coalescenza
L’anisotropia di tipo ellittico segue uno scaling con il numero di
partoni costituenti:
PRL 92 (2004) 052302; PRL 91 (2003) 182301
Se il flusso ellittico è
prodotto nella fase
partonica, quando il
sistema adronizza ogni
particella riceve un v2 e
un pT in dipendenza del
suo contenuto di quark.
1 
v ( pT )  nv2  pT 
n 
h
2
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P. Sorensen
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Elliptic Flow in ALICE
Le misure a LHC del flusso
ellittico sono già competitive con
quelle di RHIC e l’identificazione
di particelle permette di
investigare diversi scenari
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Confronto tra le diverse specie
Per collisioni ad alte centralità la descrizione dei modelli
idrodinamici che funzionavano a RHIC non descrivono il flusso
dei protoni
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Flusso ellittico per quark
Anche normalizzando al numero di quark (coalescenza)
i protoni si discostano dai pioni per alte centralità
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Un mezzo “colorato”: Il Jet Quenching
dN / dp 
R p  
N dN / dp 
0
AA
T AA
T
coll
0
T pp
Fotoni: no interazione
con il mezzo.
Adroni: interazione con
il mezzo
Rapporto tra i prodotti in collisioni AuAu e collisioni pp.
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Geometria della collisione
Produzione di una coppia di Jet
Proprietà:
L1
• L1≠L2
• Forte dipendenza dal
parametro d’impatto (b)
• ΔEi aumenta con Li
L2
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Correlazioni di particelle
Il metodo tradizionale consiste nel
considerare le distanze angolari tra una
particella ad alto pT (particella leading) e
tutte le altre particelle dello stesso evento con
un pT elevato.
Definite le due soglie di impulso trasverso
(pTlead, pTassoc) si considerano gli eventi con
almeno una particella carica di pT > pTlead e si
graficano le distribuzioni angolari di tutte le
particelle dell'evento con impulso pT > pTassoc.
In tal modo si selezionano le correlazioni delle
particelle appartenenti al jet la cui direzione è
data dalla particella leading dell'evento.
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Correlazioni in due dimensioni: Δh- Δ
• Analisi in 2 dimensioni
• Allungamento in Δh
sotto il picco del jet: il
“ridge”
h
beam direction
ridge

pTtrigger=3-6 GeV/c,
1.5 GeV/c <pTassociated< pTtrigger
jet+ridge

h
jet
ridge

h

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“Ridge” in collisioni pp: CMS
Correlazioni a lungo raggio: arXiv:1009.4122
Prima osservazione di simili correlazioni in
collisioni pp in eventi di alta molteplicità
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Dipendenza dalla centralità
periferiche
centrali
Contropicco: Sopressione del jet
Spostamento del picco: Risposta del mezzo
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Correlazioni di particelle a LHC
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conical flow? 3-particle correlation
pTtrig=3-4, pTassoc=1-2 GeV/c
2-particle corr, bg, v2 subtracted
φ2=φ2-φtrig
near
d+Au min-bias
2
Medium
away
φ2=φ2-φtrig
near
0

Au+Au 10%
1
away
deflected jets
31
dN2/dΔφ1dΔφ2/Ntrig
2
Medium
difference in Au+Au
average signal per radian2:
center – corner =
0.3 ± 0.3 (stat) ± 0.4 (syst)
center – cone =
2.6 ± 0.3 (stat) ± 0.8 (syst)

0
mach cone

0
0

1
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φ1- =F.φ
1-φtrig
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Three regions on away side:
center = (, ) ±0.4
corner = (+1,+1) ±0.4 x2
cone = (+1,-1) ±0.4 x2
L’effetto Mach
cone non si vede
nei dati a RHIC
Correlazione a 3 particelle (LHC)
2.5 < pTTrigger < 4 GeV/c
1 < pTAssociated < 2 GeV/c
Proiezione nella direzione fuori
dalla diagonale
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Soppressione nei jet
Produzione di una coppia di jet
L1
L2
In una collisione PbPb la
la formazione di un
mezzo denso (QGP) può
portare alla
soppressione di
particelle di alto impulso
•L1≠L2
• Forte dipendenza dal
parametro d’impatto(b)
• ΔEi aumenta con Li
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RAA ALICE, soprressione segnali con
grandi momenti (jet quenching)
STAR/
PHENIX
ALICE
RAA
dN /
 p 
N dN
h

T
coll
h
dpT


AA
/ dpT
pp
Estesa la misura di jet quenching
all’energia di 7 TeV e fino ad
impulsi di 20 GeV/c
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Ancora sul rapporto RAA a LHC
Dipendenza dalla centralità, energia del jet e quark
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Jet quenching in [email protected] ATeV
ET 1  ET 2
Aj 
ET 1  ET 2
ATLAS
Assimmetria nell’energia dei jet
(leading - subleading):
definizione comune ad ATLAS e
CMS
arXiv:1102.1957
 subleading leading
Correlazione angolare dei
jet leading e jet subleading
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Jet quenching (ATLAS e CMS)
ET 1  ET 2
Aj 
ET 1  ET 2
 subleading leading
Passando da collisioni periferiche a
collisioni centrali:
•il jet subleading ha un’energia più
piccola del jet leading
• la correlazione angolare si allarga
37
Jet quenching (CMS)
Submitted to Phys. Rev. C
ET 1  ET 2
Aj 
ET 1  ET 2
Passando da jet subleading
con piccolo quenching a
quelli con altro quenching è
stato osservato un sensibile
cambio nella forma del jet
Rleading/ subleading   particle leading/ subleading 2  h particle hleading/ subleading 2
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Conclusioni
• L’attività ad LHC (2009-2010) ha permesso la caratterizzazione
degli eventi in collisioni pp e PbPb in intervalli di energia e di
molteplicità fino ad allora inesplorati con il contributo di tutti
gli esperimenti principali
• Nel Novembre del 2010 abbiamo avuto le prime collisioni
PbPb e sono stati osservati in breve tempo segnali interessanti
in alcuni casi confrontabili con quelli del RHIC per precisione
• L’innovazione nei rivelatori ha permesso inoltre di ampliare il
numero di osservabili:
– Identificazione di particelle a impulsi più elevati (ALICE-TOF)
– Jet ad altissimo impulso per l’analisi del jet quenching in collisioni PbPb
(ATLAS e CMS)
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