Kvarkkiaineen tutkimusCERN:n ALICE-kokeessaSami Rsnen29.8.2008 SISLT: Vahvojen vuorovaikutusten teorian (=QCD) historiaa Olomuodon muutos ydinaineesta kvarkkiaineeseen Kvarkkiaineen kokeellinen tutkimus, erityisesti ALICE-koe

Alkeishiukkaset vuonna 1932 valon kvantit, eli fotonit (Einstein 1905) atomin ydin (Rutherford 1911) atomin elektroniverho kvanttimekaniikan kehitys ~1905-1927 (Bohr, Heisenberg, Schrdinger, ) neutroni lytyi 1932 (Chadwick)

Positroni e+Schrdingerin aaltoyhtl (1925) eprelativistinen kvanttimekaniikka kuvaa (esimerkiksi) valtaosan atomin elektroniverhon ominaisuuksista

Paul Dirac lysi Schrdingerin aaltoyhtllle relativistisen yleistyksen 1928 ENNUSTUS: jokaisella hiukkasella on oltava antihiukkanenANTIHIUKKASET: sama massa kuin hiukkasella vastakkainen varaus hiukkanen ja anti-hiukkanen annihiloivat toisensa trmtessn positroni = elektronin antihiukkanenAndersson 1932

Shkmagneettinen potentiaaliFotoni, g (1905)SM vuorovaikutuksen kantama retnEinstein (1905): valo emittoituu ja absorboituu kvantteina (Compton todisti 1917)Shkmagneettisen vuorovaikutuksen kuvaus massattoman hiukkasen, fotonin, vaihtona (1934-1948 QED: Feynman, Schwinger, )

vuorovaikutusYukawa (1934)Pioni, p (1934)Massiivisen hiukkasen vaihto modifioitu Coulombin lakiVaihdettavan hiukkasen massa (m) vuorovaikutuksen kantamaMiten atomin ydin pysyy kasassa?

I. Rabi: WHO ORDERED THAT?Myoni, m- (1937)Yukawan ennustuksen pohjalta etsittiin pioneja, m ~ 100-200 MeV

Ei tarpeeksi tehokkaita kiihdyttimi kosminen steily Uusi hiukkanen lytyi tsmlleen oikealtamassavlilt, mutta kantama aineessa pitk EI VOINUT OLLA YUKAWAN PIONIMyoni = raskas elektroni

Alkeishiukkaset 1948Mys pioni lytyi ~10 vuoden etsimisen jlkeenkosmisesta steilyst (Cecil Powell, 1947)(Neutriino, Pauli postuloi 1932, lydettiin kokeellisesti 1956)Cecil Powell

Paljon uusia hiukkasia 1950-1968Kaikki alkeishiukkasia?? Vai lytyyk sisist rakennetta??p-, p0, p+ pioni

K-, K0, K+ kaoni

r-, r0, r+ rho

h eta

f fii

MESONIT

D-, D0, D+, D++ delta

L0 lambda

S-, S0, S+ sigma

X-, X0 eta

BARYONITTrmysenergian kasvattaminen kiihdytinkokeissa

Gell-Mann, 1963uds-1/3 e+2/3 e-1/3 eKvarkkimalli 1963 Hadronit = mesonit + baryonit hadronit koostuvat kvarkeista baryoni = kolmen kvarkin sidottu tila mesoni = kvarkin ja anti-kvarkin sidottu tila kvarkit todennettiin kokeellisesti 1967 (SLAC)

HUOM! Kvarkkimallin kehitys pohjasi puhtaasti havaintoihin !!Tt nyky hadroneita = baryonit (qqq) ja mesonit (qq) tunnetaan satojaHavainto 1: yksittisi kvarkkeja tai gluoneja ei luonnossa vapaina Havainto 2: D++ baryonin kvarkkisislt (uuu) ristiriita Paulin kieltosnnn kanssaGreenberg postuloi vrin 1964D++=(uuu)-

Yksittisi kvarkkeja ja gluoneja ei luonnossa vapaina = vrivankeusKvanttivridynamiikka (QCD) 1973 Kvarkeilla on vrivaraus (r, g, b) Kvarkkien vlist vuorovaikutusta vlittvt massattomat gluonit (lydettiin kokeissa 1979)Keskeinen ero SM teoriaan (QED)gluoneilla on vrivaraus:g ~ (vri) x (vastavri) (= vahvan vv perusteoria)Gluonien itseisvuorovaikutukset potentiaali kasvaa suurilla rHavaittavat hiukkastilat (=hadronit) ovat valkoisia, yksinkertaisimmat:baryoni ~ (qrqgqb) ja mesoni ~ (qvriqvastavri)

Alkeishiukkaset 2008LEP@CERN 1992: keveitneutriinoperheit on kolmeTss esityksess vainvahvat vuorovaikutukset: kvarkit: (u,d) (c, s) (t, b) gluonit: g(=melkoinen hyppy edellisest)POINTTI:Koetulokset TeoriatWho ordered that? toistunuthttp://pdg.lbl.gov/

OSA II

Relativistisetraskasionitrmykset

Kertaus:Kultaytimen sde RA~6.5 fm Atomin koko ~ 1 = 10-10 m Ytimen sde ~ 10 fm = 10-14 m Nukleonin (= p tai n) sde ~ 1 fm Kvarkit pistemisi (r < 10-19 m) Elektroni pisteminen (r < 10-18 m)Kultaytimen tiheysjakauma

Nukleonit eivt olekovakuorisia biljardipallojaPuristus

LmmitysNukleonitiheys kultaytimess n ~ 200 kpl / [4/3 (6.5 fm)3] ~ 0.17 kpl / fm3n ~ 1 kpl / fm3KVARKKI-GLUONI PLASMA (QGP)(Toisinaan nimitys kvarkkiaine)

t=0t~10 st~1 msKvarkki-gluoni plasma QGP (kvarkkiaine)Yhteys kosmologiaan

QCD: ON OLEMASSA FAASITRANSITIO (eli olomuodonmuutos) hadronikaasu kvarkki-gluoniplasma (QGP) !Luonnollinen yksikkjrjestelm: c = = kB = 1Kriittinen lmptila Tc ~ 1012 K ~ 170 MeV ja energiatiheys c ~ 1 GeV / fm3Vahvasti vuorovaikuttavan aineen olomuodot

Suurenergiaiset raskasionitrmykset- Kokeellispainotteista perustutkimusta, jonka tavoitteena

1. Todentaa QGPn aineen uuden olomuodon - olemassaolo 2. Selvitt QGPn ominaisuudet eli tutkia vahvasti vuorovaikuttavan QCD-aineen termodynamiikkaa

Tm onnistuu, etenkin ydinten nokkakolareissa, kun * A~200 = raskas* trmvien suihkujen E 10 GeV/n mp ; ultrarelativistinen * voidaan tutkia useita QGP-signaaleja Alalla 1500-2000 fyysikkoa hyvin kansainvlinen ala! - Suomessa: perinteikkt teoriaryhmt Jyvskylss ja Helsingiss,nyt mys kokeellinen ALICE-ryhm JKL/HKIwww.urhic.phys.jyu.fi www.hip.fi

Keskeinen Au+Au trmys = ydinten nokkakolari - tihein mahdollinen systeemi syntyy; edullisin QGPn muodostumiselle - maksimaalinen mr hituja lopputilassa - trmystapahtuma kest kokonaisuudessaan ~ 10-22 s !!Simulaation tekij J. Mitchell: www.bnl.gov/rhic/Raskasionitrmyksen dynamiikkaa

Raskasionitrmyksen dynamiikkaaLaskut ja simulaatio: Harri Niemi, JYFL

Au + Au trmys Brookhaven National Laboratorion RHIC trmyttimess (RHIC = Relativistic Heavy Ion Collider)

Tuotetun poikittaisenergian mr - saadaan kalorimetrista tai hitujakaumista eli spektreist

energiatiheydet heti tuoton jlkeen > 5 x QGP-raja systeemi ei ole hadronisessa olomuodossa t=1 fm/c:ss !Katso mys www.physicstoday.org/vol-56/iss-10/p48.htmlHadronien spektrieli niiden trmyksess tuotettujenhadronien lukumr dN, joidenliikemr (px, py, pz) on vlill(px+dpx, py+dpy, pz+dpz)Esimerkki kokeellisesti mitattavasta suureesta:

Miksi ALICE koeCERN:n LHC -trmyttimelle? LHCss QGP on kuumempaa ja el pidempn !

OSA III

Muutama sanakokeellisesta fysiikasta

ALICE koe (A Large Ion Collider Experiment)

Size: 16 x 26 metersWeight: 10,000 tonnesALICE

Hiukkasten havaitsemisen perusteitaTrack detectors - mittaavat ratoja ja kulmia Calorimeters - mittaavat energiaa - tyypillisesti jaetaan hadronisiin ja shkmagneettisiinHavaitseminen vaatii mittalaitteen ja havaintokohteen vlisen vuorovaikutuksen

LankakammioPuolijohdeilmaisimetKalorimetrit varatut hidut ionisoivat kaasua elektronit kertn anodilangoille (~2 mm vlein) useita pllekkisi kammioita (katodilevyt ~2 cm vlein) elektronit havaitaan virtana langoissa aikaeroista saadaan tarkka paikkatieto varatut hidut luovat elektroni-aukko pareja materiaaliin elektronit ja aukot erotetaan shkkentll ja kertn elektrodeille erittin tarkka paikkainformaatio, ~10 m yleens lhimpin vuorovaikutuspistett (tarkkuus) huonoa: kalliita ja steily vaurioittaa ajan myt nkevt mys neutraalit hiukkaset !! mittaavat hiukkasten energiaa tiivist materiaa, joka absorboi trmvt hiukkaset uloimpia, eli (varattujen) hiukkasten radat mitattu jo ennen kalorimetriin saapumista SM kalorimetrit tyypillisesti lyijy, hadroniset rautaa

http://hands-on-cern.physto.se/ani/det_cms/cms_slice.swfAnimaatio osoitteessa:

Data-analyysi Haasteita: Kuinka edell kuvatut shkiset impulssit ksitelln ja tulkitaan? runsaasti haastavaa fysiikkaa, ei pelkk rautapuolta ~500 eri instituuttia/yliopistoa analysoi LHC:n dataa tutkijoita LHC:n piiriss on ~5000, joista ALICE:ssa ~1000 dataa kertyy ~ 15 miljoonaa GB vuodessa (~ gigabittej / s) vastaa noin 20 km korkuista pinoa CD-levyj, vuosittain !!- datan on oltava saatavilla ainakin 15 vuottaGRID verkko, jossa yhteens ~100 000 prosessoria ultranopea kaista, saavutettu 11 000 km nopeudella 6.25 GB/s (eli ~1 DVD elokuva 5 s vlein) data ksitelln vaiheittain: raakadata => esiksitelty Jyvskylss analysoidaan (lhinn) esiksitelty dataa

FYYSIKON TYKALUPAKKI: Fysiikan taidot (itsestn selv) Matematiikan taidot Tietotekniikka, erityisesti ohjelmointi Englannin kieli Valmius ryhmtyskentelyyn

KIITOS !