А.Б.Курепин – ИЯИ РАН

Исследования по релятивистской ядерной физике

Марковские чтения, ИЯИ РАН, 13.05.11

1. Возникновение релятивистской ядерной физики.

2. Значение работ М.А.Маркова по философским проблемам физики для современных

представлений о познаваемости микромира

3. Этапы развития работ по релятивистской ядерной физике

4. Современные эксперименты по исследованию ядро-ядерных столкновений при высоких

энергиях.5. Перспективы дальнейших исследований.

Марковские чтения, ИЯИ РАН, 13.05.11

На созданной сотрудниками Института ядерных исследований РАН

многоцелевой установке КАСПИЙ

на пучке синхрофазотрона ОИЯИ в конце 80-х – начале 90-х годов выполнены

пионерские исследования рождения положительных и отрицательных пионов и каонов

и впервые в мире измерения рождения антипротонов при столкновении релятивистских ядер углерода с ядерными мишенями.

Обнаружено усиление выхода странных частиц

и большое, почти на два порядка, превышение отношения выхода антипротонов к пионам

по сравнению с протон ядерным взаимодействием.

Для объяснения этого эффекта разработана модель ядерного скейлинга.

40-лет ИЯИ РАН

М.А.Марков о познаваемости микромира

1.Для толкований всех измерений в собственном смысле необходимо пользоваться классическими представлениями, несмотря на то что классическая теория не может сама по себе объяснить тех новых закономерностей, с которыми мы имеем дело в атомной физике.

2.Как бы далеко ни выходили явления за рамки классического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий.

Н.Бор, Избранные труды, Т. 2, 1971.

Изучение различных ( всех ) проекций свойств данного микрообъекта на макромир дает исчерпывающее представление о данной объективной реальности на языке макроскопических понятий ( на языке наблюдаемых классической макроскопической физики )

М.А.Марков, Т. 1 стр. 461

По общему мнению, начальная стадия Вселенной имеет существенно квантовый характер. При переводе квантового характера микроявлений в эту эпоху на макроскопический язык необходимо взаимодействие начальной стадии Вселенной с макроприбором наблюдателя. Но, спрашивается, существует ли такая даже мыслимая возможность? Макроприбор – это в конечном счете значит и существование наблюдателя.

М.А.Марков, Т. 1 стр. 496

Эксперимент

1. Направленный и эллиптический поток частиц

2. Эффект сжатия ( подавления ) рождения струй при больших поперечных импульсах.

3. Усиление рождения странных частиц.

4. Цветовое экранирование. Подавление рождения чармония.

5. Прямые фотоны

Теория Фазовых Переходов в ядерной материи

1. Фазовая диаграмма. Переходы 1-го и 2-го рода. Критическая

точка. Деконфайнмент. Кварк-Глюонная плазма. Цветовая сверхпроводимость.

2. Уравнение состояния. Расчеты на решетке3. Флюктуации.4. Перколяция. Образование кластеров.5. Восстановление киральной симметрии.6. Сильно связанная Кварк-Глюонная плазма. Плотная жидкая фаза. Идеальная жидкость. Цветной конденсат.7. Смешанная фаза.

Study the onset of deconfinement

Onset of Deconfinement:early stage hits transition line,

observed signals: kink, horn, stepT

µB

energy

Kink

Horn

Step

collision energy

had

ron p

rod

uct

ion

pro

pert

ies

AGS SPS RHIC

Strangeness enhancement by WA 97 and NA57 at 158 GeV/c

J/ suppression, “standard” analysis

• 3 centrality bins, defined through EZDC

• J/ nuclear absorption J/abs = 4.18 0.35 mb (from NA50 @ 450 GeV)

• ~ 8% uncertainty on the rescaling to 158 GeV

Anomalous J/ suppression is present in In-In collisions A finer centrality binning is needed to sharpen the picture

RAA

vs Npart

: PHENIX and NA50

NA50 data normalized to NA50 p+p point.

Suppression level is similar in the two experiments, although the collision energy is 10 times higher (200GeV in PHENIX wrt 17GeV in NA50)

Comparison to theory (II)

Models that were successful in describing SPS datafail to describe data at RHIC

- too much suppression -

HADES - High Acceptance DiElectron Spectrometer

• Beams: p (LH2) , C, Ar -production runs- with I=0.8*106/spill and 4*1010 N2/spil (<5 than needed

for physics run of S262)

• Beam detectors :Diamond detectors (START& VETO) for HIScintillating fibers for p,d, beams Forward Hodoscope (0-80) - INR

• RICH Full azimuth coverage, Detector figure of merit N0=79 Carbon mirrors (2 need to be installed)-0.5%X0

Image Processing

• Tracking system3 MDC layers complete, 4 MDCIV remaining 2 ready at end 2005. Internal resolution 100 m anticipated mass mass

resolution: Me+e/M1.5% at / region-

• METATOF, TOFINO -INR, Pre-Shower –full coverage Image Processing

Low granularity TOFINO->RPC upgrade

Side View

START

1 m

p, , A

Physics programme(II): AA collisions• in medium vector meson properties- spectral functions AV(Me+e- ,p) – double differential distributions, centrality dependence

•Dielectron excess observed by DLS in Ca+Ca @ 1AGeV.

• Mass dependence mT scaling for @2AGeV gives only 0.7 e+e-(Ap*AT)1.06-DLS

Additional self-energy terms due to meson-

baryon couplingp - beams

SIS 18

SIS 200T [MeV] 300

LHC

RHIC

SPS

Partial restoration of chiral symmetry (vs. T,ρ)

W. Weise et al.

–What are the relevant observables as nuclear density and/or temperature increase?

–quark picture vs. hadronic picture?

The ALICE experiment

CMS

ATLAS

A-side

C-side

Sum gives event time, difference gives event position tC – tA ~ 2 z/cA-sideC-side

BEAM 1

BEAM 2

Z

time

374 cm70 cm

April 21, 2023

Beam-gas B1

Beam-gas B2

ALICE T0 satellite charge measurements in the November Pb-Pb

ALICE results with PbPb Final Results

Nch multiplicity

Rapidty density PRL: Vol. 105 (2010) 252301

Centrality dependence PRL: Vol. 106 (2011) 032301

FLOW of charged particled PRL: Vol. 105 (2010) 252302 together with ATLAS di-jet paper, got PRL “Viewpoint”, first for LHC

Suppression of high-pT (RAA) PLB: Vol. 696 (2011) 30

Bose-Einstein correlations PLB: Vol. 696 (2011) 328

Ongoing analyses (a few out of very many => aiming to submit about 40 papers to QM Conference in May)

J/e+e-

Event structure from autocorrelations

Azimuthal Correlations of high-pT particles

Identified particles: strangeness, resonances …

0 spectra Heavy flavour: charm (D0,D+, D*), heavy quarks (c,b) e-

Advanced Drafts Identified particles: Baryon/meson ratio

Flow with identified particles:

● Energy density from dNch/dη

– dNch/dη = 1599 ± 4 (stat.) ± 80 (syst.) – constrains / rules out models– 100 times cold nuclear matter density – ~3 times the density reached at RHIC

(ε ≈ 15 GeV/fm3)

- Freeze-out volume ~ 300 fm3

- ~ 2 times the volume measured at RHIC (AuAu@200 GeV)

- Lifetime until freeze-out ~ 10 fm/c

Characteristics of Central Pb+Pb Collisions at 2.76 TeV

• Volume and lifetime from HBT interferometry

Volume Lifetime

Particle production in Pb-Pb:Azimuthal anisotropy

xy z

Initial spatial anisotropy

py

px

Final momentum anisotropy22

22

xy

xy

22

22

2

yx

yx

pp

ppv

Reaction plane defined by “soft” (low pT) particles

Elliptic flowElliptic flow

INTERACTIONS( hydrodynamics? )

Reaction plane

xy z

Reaction plane

Measure Properties of the Medium Created in Pb+Pb

Collisions

1. Collective behavior observed in Pb-Pb collisions at LHC (+0.3 v2RHIC)

v2(pT) similar to RHIC – almost ideal fluid at LHC ?2. New input to the energy dependence of collective flow3. Additional constraints on Eq-Of-State and transport properties

PRL 105, 252302 (2010) [36 citations]PRL 105, 252302 (2010) [36 citations]

Most extreme state of matter ever created in the lab …

STAR at RHIC

Jet quenching via hadron suppression

Phys. Lett. B 696 (2011) [22 citations]Phys. Lett. B 696 (2011) [22 citations]

Ratio =#(particles observed in AA collision per N-N (binary) collision)

#(particles observed per p-p collision)

suppressionsuppression

1. Strong depletion of high-pT hadrons in A-A collisions– parton energy loss (jet quenching)

2. Qualitatively new feature : evolution of RAA as a function of pT

3. New, much anticipated constraint for parton energy-loss models

Centralcollisions

Cross-section

RAA

1

Di-hadron Correlations in PbPb

Two-particle correlations

- conditional [per-trigger] yields and

At Low-pT :

RidgeHydrodynamics, flow

At High-pT :

Quenching/suppression, broadeningPowerful instrument to study system characteristics, including Jet Quenching (recoil jet suppression)

AzimuthalCorrelation~ 180 deg

AzimuthalCorrelation~ 180 deg

Leading particleLeading particle

Muon spectrometer alignment

No and 1st alignment 2nd alignment

σJ/Ψ = (75 ± 3) MeV/c2To be compared with expected performance with perfect alignment of 70 MeV

● Quarkonia: suppression or regeneration?

Expect ~2000 J/ from full 2010 statistics

• Charm via D mesons, beauty via leptons (e, ):

colour charge and mass dependence of energy loss

D0K, D+K via secondary vertex reconstruction

J/ at forward rapidity,starting from pt~0

Heavy quarks in Pb-Pb

central Pb-Pb! minimum bias Pb-Pb

Anti Nuclei: Anti-Alpha candidates in Pb-Pb

Time of flight (sensitive to m/z-ratio):

Three candidatesconfirmed by TOFanalysis

ALICE performance

ALICE performance

Detector Performance in Pb-Pb PID TOF- > TOFdet +T0det

T0 det resolution ~35 ps !

‘Single Events’

● Study the individual event– Access properties

characteristic of critical phenomena

Eve

nts

Energy spectra of the neutron calorimeter in proton and Pb runs

ADC spectrum for 30 GeV protons

1n

2n

3n

New data:forward neutron emission measurements for

30 A GeV Pb ions @ CERN SPS

pure EM part ~ Z2target

/Z2target

~ const

Phys.Rev.C71(2005)024905

Latest data:forward neutron emission measurements for

158 A GeV In ions @ CERN SPS

1n

2n

3n 4n

Модель RELDIS: Relativistic ELectromagnetic DISsociation

● RELDIS опирается на модель фотоядерных реакций (ИЯИ, 1995-2008, А.С.Ильинов, И.А.Пшеничнов)

● Поглощение фотонов ядрами – многостадийный процесс: – поглощение фотона на внутриядерном нуклоне или

на квазидейтонной паре (учитывается свыше 100 каналов при энергиях фотонов несколько ГэВ)

– внутриядерный каскад образовавшихся адронов

– статистический распад возбужденного остаточного ядра – модель SMM: конкуренция испарения нуклонов и кластеров - деление - мультифрагментация

Single and mutual EMD with ZDC

SINGLE EMD MUTUAL EMD

ZDC signal: Single EMD + Mutual EMD + Nuclear effectsMutual EMD event selection: ZNC && ZNA + ZDC time selection + (ZEM1<10 || ZEM2<10) estimated from simulations to reject nuclear eventsData: 1n peak resolution consistent with RELDIS calculationRatios: 1n/2n; 1n/3n; 2n/3n are under investigation

1n1380 GeV

2n

CASTOR DESIGN

Физическая программа установки CASTOR

1.Поиск событий типа «Кентавр»

– аномальное увеличение выхода адронов по сравнению с электромагнитной компонентой

– большие поперечные импульсы по сравнению с « «нормальными» событиями

- обнаружение проникающей компоненты с аномальным пробегом

2.Исследование явления выстроенности

3.Получение данных для проверки и калибровки Монте-Карло программ, используемых для интерпретации КЛ сверхвысоких энергий ( также LHCf и ACORDE-ALICE )

4.Физика при больших быстротах:

– КХД при малых х до 10**-6 10**-7– Дифракционные процессы– Поиск КГП

NA61/SHINE experiment

GDR 2010, 30th April, Paris

NA61/SHINE physics program:•Critical Point and Onset of Deconfinement,•Neutrino physics,•Cosmic-ray physics

40

Detector

Particle identification:Combined energy loss andTime of Flight measurements

41

Large acceptance: ≈50%

High momentum resolution <1%

High detector efficiency: > 95%

Event rate: 70 events/sec

TOF ~60 ps

Status and plans for ion collisions at SPS energies

2015

2014

2009/10/11

2013/14

2010/11/12

NA61

- Measurement of centrality: b~ A - Nspect (selection of centrality at trigger level)

- Measurement of event-by-event fluctuations (to exclude the fluctuation of participants)

- Reconstruction of the reaction planeMain features of the PSD-high granularity:transverse homogeneity of energy resolution, reaction plane measurements ?

-compensated calorimeter (e/h = 1), lead/scintillator sampling ratio 4:1 high energy resolution ~55%/sqrt(E)

- longitudinal segmentation (10 sections per module) PID, background rejection, improvement of energy resolution

light readout from each sections by novel MAPDs to provide large dynamic range, to exclude nuclear counting effect

Role of the PSD in NA61

48 modules: 16 central (small), 28 outer (large) modules.

120 cm

120

cm

SIS 100 Tm

SIS 300 Tm

U: 35 AGeV

p: 90 GeV

Structure of Nuclei far from Stability

Cooled antiproton beam:Hadron Spectroscopy

Compressed Baryonic Matter

The future Facility for Antiproton an Ion Research (FAIR)

Ion and Laser Induced Plasmas:

High Energy Density in Matter

““MUON” MUON” set-upset-up

““electron” electron” set-upset-up

CBM experimental challenges

(example: min. bias Au+Au collisions at 25 GeV)

SPS Pb+Pb 30 A GeV

Driving CBMexperimental requirements in precisionand rates

Feasibility of J/psi studies in dielectrons decay mode by CBM detector :

invariant mass spectra J/psi + combinatorial background for SIS300 and SIS100

““electron” set-up: STS + RICH + TRD electron” set-up: STS + RICH + TRD +ECAL+ECAL

Au+Au@25AGeVAu+Au@25AGeV

STS + ECAL in “muon” set-upSTS + ECAL in “muon” set-up

p+C@30AGeV

Feasibility studies

Event generators: URQMD, PLUTOTransport: GEANT3,4 via VMC

Radiation hard Silicon pixel/strip detectors in a magnetic dipole field

Electron detectors: RICH & TRD & ECAL: pion suppression up to 105

Hadron identification: RPC, RICH

Measurement of photons, π0, η, and muons: electromagn. calorimeter (ECAL)

Invariant mass spectra J/Invariant mass spectra J/ψψ + combinatorial background for + combinatorial background for different pions, kaons and protons suppression factordifferent pions, kaons and protons suppression factor

Suppression S/B in 3Suppression S/B in 3σσ

Beam energyBeam energy 7AGeV 9AGeV7AGeV 9AGeV

protons 10000 0.55 1.5protons 10000 0.55 1.5ππ & k & k 1000 1000

protons 10000 2.0 8protons 10000 2.0 8ππ & k & k 10000 10000

protons 50000 3.7 12protons 50000 3.7 12ππ & k & k 10000 10000

J/J/ψψ efficiency 55% efficiency 55% 55%55%

Alla Maevskaya INR RAS NICA Roundtable Workshop 11 September 2009

Superevent technique was used for invariant mass of background, so 196 Superevent technique was used for invariant mass of background, so 196 J/J/ψψ were added to corresponding 40960000 (6400x6400) events were added to corresponding 40960000 (6400x6400) events √s =9AGeV√s =9AGeV

Заключение

1. Для решения проблемы фазового перехода ядер в кварк-глюонную материю необходимы новые экспериментальные данные в широком интервале энергий и для различных сталкивающихся ядер.

2. Необходимо детальное исследование механизма взаимодействия ядер на различных стадиях процесса.

Курепин А.Б

Courtesy of T. Hatsuda

Major research programs in nuclear/quark matter physics:

Measuring the properties of the QGP (LHC, RHIC) Searching for structures in the QCD phase diagram (SPS, RHIC, FAIR)

The phase diagram of strongly interacting matter

QCD equation of state

20%

Can we put a “data” point on this diagram?

New generation of calculations with realistic quark masses and for Nt=6.

New result (Katz):

Tc = 1918 MeV

Direct photons in PHENIX

Phys. Rev. Lett. 94, 232301 (2005)

• No significant excess at low pT

• Expect some improvement in run4 systematic errors.

Mapping the QCD phase diagram with heavy-ion collisions

net baryon density:

B 4 ( mT/2h2c2)3/2 x

[exp((B-m)/T) - exp((-B-m)/T)] baryons - antibaryons

Lattice QCD calculations:Fedor & Katz,Ejiri et al.

SIS300

Электромагнитные взаимодействия в столкновениях релятивистских ядер

● Ультрапериферические взаимодействия: нет перекрытия ядерных плотностей

● Воздействие Лорентц-сжатых кулоновских полей может быть представлено как поглощение эквивалентных фотонов (Weizacker-Williams method)

● Фотоядерные реакции: электромагнитная диссоциация и рождение адронов

● Реакции фотон-фотон: рождение экзотических частиц

Z

Дальнодействующиеэлектромагнитные силы