Csörgő Tamás MTA KFKI RMKI

Csörgő Tamás, MTA KFKI RMKI1“Az Ősanyag Nyomában” ELTE, 2007/10/11

Csörgő TamásMTA KFKI RMKI

Magyarok Amerikában -

forró nyomon az ősanyag nyomában

•Bevezető

Motiváció

Kisérletek

Elméleti alapok

•Eredmények

– Új jelenség

– Új anyag

– A legforróbb anyag: tökéletes folyadék

– Mi folyik itt ?


A Nagy Bumm

• Az anyag felépítése:

• Molekulák, atomok→ Elektronok,

protonok, neutronok

→ Kvarkok, gluonok

• Korai univerzum: forró, táguló rendszer

• Kvark-gluon anyag

• Hűlés → kifagyás

• Ma: ‘fagyott anyag’

• Fagyott világ hasonlata


Nehézion-ütközések: Kis Bumm• Nukleon-olvasztás

• Kvarkok bezárása ill. kiszabadítása

• Hasonlat: jégből víz vagy gőz• Szárazjég? Vízjég?

• Nagy energiájú ütközéssel mindez elérhető (?)

• Nehézionok Nehézionok ütközése: forró, ütközése: forró, táguló rendszertáguló rendszer

• Elég forró? Régi-Elég forró? Régi-új anyag?új anyag?


Relativistic Heavy Ion Collider

• RHIC: Relativisztikus nehézion ütköztető•Két koncentrikus gyűrű, metszéspontokon ütközések•Nyaláb: p, d, Cu, Au; Tömegközépponti energia: 20-500 GeV/nukleon•4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS (Veres Gábor), STAR

• Magyar intézményi részvétel a PHENIX-ben: •KFKI: Csörgő T., Hidas P., Nagy M., Ster A., Sziklai J., Vértesi R., Zimányi J. •ELTE: Kiss Á., Csanád M., Deák F.•DE: Tarján P., Imrek J., Veszprémi V.•BNL: Dávid Gábor

Elindított Elindított fejlesztési fejlesztési

programok:programok:


A RHIC működéséről


Elméleti alapok

• Elméleti keret: Standard Model

• Stabil elemi részecskék: elektron, proton, (neutron)

• A protonnak és neutronnak (kvark) szerkezete van:

A kvarkok további, instabil részecskéket alkothatnak

(~2000 ismert közülük, élettartamuk: ~10-6 - 10-23 sec)

Barionok: 3 kvark kötött állapotok

Mezonok: kvark-antikvark állapotok Egzotikum: Pentakvark ?


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

uup

ccharm

ttop

ddown

sstrange

bbottom

eelectron

muon

tau

eelectron neutrino

muon neutrino

tau neutrino

kvark

ok

lep

ton

ok

fermionok

ggluon

foton

ZZ bozon

WW bozon

bozonok

kölcsön

h.

erő

s

ele

ktr

o-

mág

neses

gyen

ge


Az Ősanyag nyomában ...

Alapkutatás:

• Elméleti igény: az erősen kölcsönható anyag halmazállapotainak vizsgálata a jelenleg elérhető legmagasabb hőmérsékleteken (gyorsító energiákon).

• Az erősen kölcsönható anyag halmazállapotai. A 2004-es fizikai Nobel-díj: az erős kölcsönhatás aszimptotikusan szabad -> a kvarkok és gluonok gáz halmazállapotú, igen forró kvark-gluon plazmát alkotnak - ez az elméleti várakozás.

• Kísérleti feltételek: szupravezető mágnesek, nehézionok szemből ütköztetése, pénzügyi elkötelezettség (1 milliárd USD főleg USA és Japán + egész világ vezető országai).

Jelenlegi élvonal 2 nagy gyorsítónál:

• BNL(Amerika): 2000-től, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)

• CERN(Európa): 2008/2009-től, Large Hadron Collider (LHC)


Hőmérséklet > Tc: Kvark Gluon Plazma. Új halmazállapot(ok?)

Az erős kölcsönhatás aszimptotikusan nagy energiákon szabad(2004-es Nobel díj, D. J. Gross, H. J. Politzer, F. Wilczek) -> gáz?

Az erős kölcsönhatás halmazállapotai

Z. Fodor, S.D. Katz:Tc = 176±3MeV MeV ~ 2 terakelvin

(hep-ph/0511166)hadronok ->

kvark-gluon plazma(?)

Tc


Forró nyomon: RHIC kísérletek

• Gyorsító adatok:

körív: 3.8 km tkp energia: 19-200 AGeV sebesség: 99.995% cfelhasznál: protonok, deutérium, réz és arany atommagoknyalábok: 2 szembe nyaláb, mindegyik 120 „csomag”-banluminozitás: 2 x 1026cm-2 s-1 (Au+Au, 106 ns átfedésekkel)előállít: több ezer új részecskét ütközésenkénthőmérséklet: > 2 trillió K (igen forró nyomon!)alapanyag: 20 év alatt 1 gramm aranyüzemel:2000-től

LHC (CERN) 2008 (p+p)/2009 (Pb+Pb)-től

körív: 27 km (LEP átalakítva)energia: 14 ATeV

(korábban: fix target, SPS: Ecms ~ 17 AGeV Pb+Pb)


PHENIX

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


1. mérföldkő: új jelenség

• Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján

• Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerző: Ster András

• A munka dandárját BNL csoport végezte, Dávid Gábor,

a brookhaveni magyar vezetésével


Mitől csökken a részecskesugarak energiája?

Kezdeti feltétel?

gluonok összenyomódása

Új anyag? elnyelés közegben

Hogy tegyünk különbséget? Kapcsoljuk ki a közeget d+Au ütközések (2003)


A frontális Au+Au ütközésekben nyelődik el a legjobban a részecskesugár (PHENIX, PHOBOS)

• Au+Au és d+Au ellenpróba eredménye: Drámai különbség és ellentétes függés az ütközés frontálisságától

• A részecskesugarak elnyelődése a frontális Au +Au ütközésekben a

legerősebb, a keletkező új anyag miatt lép fel.

Au + Au d + Au ellenpróba

Preliminary DataFinal Data


Russia:MEPHI - MoscowLPP/LHE JINR - DubnaIHEP - Protvino

U.S. Laboratories:ArgonneBerkeleyBrookhaven

U.S. Universities: UC BerkeleyUC DavisUC Los AngelesCarnegie Mellon Creighton UniversityIndiana UniversityKent State UniversityMichigan State UniversityCity College of New YorkOhio State UniversityPenn. State UniversityPurdue UniversityRice UniversityTexas A&MUT AustinU. of Washington Wayne State UniversityYale University

Brazil: Universidade de Sao Paulo

China: IHEP – BeijingIMP - LanzouIPP – WuhanUSTCSINR – ShanghaiTsinghua University

Great Britain: University of Birmingham

France:IReS StrasbourgSUBATECH - Nantes

Germany: MPI – MunichUniversity of Frankfurt

India:IOP - BhubaneswarVECC - CalcuttaPanjab UniversityUniversity of RajasthanJammu UniversityIIT - BombayVECC – Kolcata

Poland:Warsaw University of Tech.

A STAR kisérlet a RHICnél


STAR: Szögeloszlások és kifutó-befutó sugárpárok

pedestal and flow subtracted

“Kifutó” irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik“Befutó” irány: Au+Au ütközésben elnyelődés, p+p és d+Au - nincs ez

A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon


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


Eredmények

V2 - elliptikus folyás

dn/d ~ 1 + 2 v2(pT) cos (2 )

xy z

Kollektiv mozgás (hidrodinamika) jele. Az adatok hidrodinamikai képben értelmezhetőek

a 2000 MeV alatti pt tartományban.

M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. http://arXiv.org/abs/nucl-th/0512078


3. mérföldkő: 2005 vezető fizikai híre

PHENIXPHENIX: : 3x AIP Top Physics Story 3x AIP Top Physics StoryRHIC első éveit összegző cikkek: Top Physics Story RHIC első éveit összegző cikkek: Top Physics Story #1 2005#1 2005

Amerikai Fizikai Intézet: 2005 legfontosabb eseménye!Amerikai Fizikai Intézet: 2005 legfontosabb eseménye!


Analógia

• Core Sun• Halo Solar wind

• T0,RHIC ~ 210 MeV T0,SUN ~ 16 million K

• Tsurface,RHIC ~ 100 MeV Tsurface,SUN ~6000 K

RHIC tűzgömb Nap


Tökéletes ≠ ideális!Tökéletes: elhanyagolható viszkozitás és hővezetés

Ideális: összenyomhatatlan

Viszkozitás : nyíróellenállás mértéke

Alacsony viszkozitás Nagy hatásk.m. Erős csatolás

Lényeges mérőszám: kinematikai viszkozitás

AdS/CFT megfeleltetés:hep-th/9711200, gr-qc/0602037,

hep-th/0405231

Viszkozitás-mérés:nucl-ex/0609025, arxiv:0704.3553,

nucl-th/0606061, nucl-ex/0611018

A jelenleg ismert legforróbb anyag:

Folyadék halmazállapotú

Az eddig előállított legtökéletesebb folyadék

Tökéletes folyadék? !

(1.8 0.6 1.2)4s

(1.8 0.6 1.2)4s

4s

4s

s s


Allegória és költészet a fizikában

Nehézionok:Új anyagot szétcsapó,

Öklelő bikák.

A Nobel díjas fizikus, T. D. Lee verse,Csörgő Tamás forditásában (Magyar Tudomány, 2005)


A PHENIX együttműködés

Documents

Csörgő Tamás MTA KFKI RMKI