Kvarkkiaineen tutkimusKvarkkiaineen tutkimus

CERN:nCERN:n ALICEALICE--kokeessakokeessa

Sami RSami Räässäänennen

29.8.2008

SISÄLTÖ:• 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, Schrödinger, …)

• neutroni löytyi 1932 (Chadwick)

Positroni e+

Schrödingerin aaltoyhtälö (1925) � epärelativistinen kvanttimekaniikkakuvaa (esimerkiksi) valtaosan atomin elektroniverhon ominaisuuksista

Paul Dirac löysi Schrödingerin aaltoyhtälölle relativistisen yleistyksen 1928ENNUSTUS: jokaisella hiukkasella on oltava antihiuk kanen

ANTIHIUKKASET:• sama massa kuin hiukkasella• vastakkainen varaus• hiukkanen ja anti-hiukkanen

annihiloivat toisensa törmätessäänpositroni = elektronin antihiukkanen

Andersson 1932

Sähkömagneettinen potentiaali

Fotoni, γγγγ (1905)

rSM rV1)( ∝

SM vuorovaikutuksen kantama ääretön

Einstein (1905): valo emittoituu ja absorboituu kvantteina(Compton todisti 1917)

21rSM

F ∝

Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kuvaus massattoman hiukkasen, fotonin, vaihtona

(1934-1948 QED: Feynman, Schwinger, …)

“vuorovaikutus”

Yukawa (1934)

Pioni, ππππ (1934)

Massiivisen hiukkasen vaihto � modifioitu Coulombin laki

Vaihdettavan hiukkasen massa (m)� vuorovaikutuksen kantama

Miten atomin ydin pysyy kasassa?

re

Yukawa

mr

rV−∝)(

I. Rabi: “WHO ORDERED THAT?”

Myoni, µµµµ−−−− (1937)Yukawan ennustuksen pohjalta etsittiin pioneja, m ~ 100-200 MeV

Ei tarpeeksi tehokkaita kiihdyttimiä kosminen säteily

Uusi hiukkanen löytyi täsmälleen oikealtamassaväliltä, mutta kantama aineessa pitkä

EI VOINUT OLLA YUKAWAN PIONI

Myoni = ”raskas elektroni”

emm 200~µ

”Alkeishiukkaset” 1948

Myös pioni löytyi ~10 vuoden etsimisen jälkeenkosmisesta säteilystä (Cecil Powell, 1947)

(Neutriino, Pauli postuloi 1932, löydettiin kokeellisesti 1956)

Cecil Powell

Paljon uusia hiukkasia 1950-1968

Kaikki alkeishiukkasia?? Vai löytyykö sisäistä rakennetta??

π−, π0, π+ pioni

K−, K0, K+ kaoni

ρ−, ρ0, ρ+ rho

η eta

φ fii

MESONIT

∆−, ∆0, ∆+, ∆++ delta

Λ0 lambda

Σ−, Σ0, Σ+ sigma

Ξ−, Ξ0 eta

BARYONIT

Törmäysenergian kasvattaminen kiihdytinkokeissa

Gell-Mann, 1963

uu dd ss

-1/3 e+2/3 e -1/3 e

Kvarkkimalli 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 havai ntoihin !!

Tätä nykyä hadroneita = baryonit (qqq) ja mesonit (qq) t unnetaan satoja

Havainto 1: yksittäisiä kvarkkeja tai gluoneja ei lu onnossa vapaina Havainto 2: ∆∆∆∆++ baryonin kvarkkisisältö (uuu)

���� ristiriita Paulin kieltosäännön kanssa

Greenberg postuloi värin 1964 ∆++=(uuu)

−

ggg

g

krr

V sQCD +−=α

34

Yksittäisiä kvarkkeja ja gluoneja ei luonnossa vapaina = värivankeus

Kvanttiväridynamiikka (QCD) 1973

• Kvarkeilla on värivaraus (r, g, b)• Kvarkkien välistä vuorovaikutusta

välittävät massattomat gluonit(löydettiin kokeissa 1979)

Keskeinen ero SM teoriaan (QED)gluoneilla on värivaraus:g ~ (väri) x (vastaväri)

(= vahvan vv perusteoria)

Gluonien itseisvuorovaikutuksetpotentiaali kasvaa suurilla r

Havaittavat hiukkastilat (=hadronit) ovat ”valkoisia”, yksinkertaisimmat:

baryoni ~ ( qrqgqb) ja mesoni ~ (q väriqvastaväri )

Alkeishiukkaset 2008

LEP@CERN 1992: keveitä

neutriinoperheitäon kolme

Tässä esityksessä vainvahvat vuorovaikutukset:

kvarkit: (u,d) (c, s) (t, b)gluonit: g

(=melkoinen hyppy edellisestä)

POINTTI:Koetulokset Teoriat

”Who ordered that?” –toistunut

http://pdg.lbl.gov/

OSA II

Relativistisetraskasionitörmäykset

Kertaus:

Kultaytimen säde RA~6.5 fm

• Atomin koko ~ 1 Å = 10-10 m• Ytimen säde ~ 10 fm = 10-14 m• Nukleonin (= p tai n) säde ~ 1 fm• Kvarkit pistemäisiä (r < 10-19 m)• Elektroni pistemäinen (r < 10-18 m)

Kultaytimen tiheysjakauma

Nukleonit eivät ole”kovakuorisia biljardipalloja”

Puristus

Lämmitys

Nukleonitiheys kultaytimessän ~ 200 kpl / [4/3 π (6.5 fm)3]

~ 0.17 kpl / fm3

n ~ 1 kpl / fm3

KVARKKI-GLUONI PLASMA (QGP)(Toisinaan nimitys ”kvarkkiaine”)

t=0

Big Bang

t 10µs

Quark-Gluon-Plasma

Nuclear Matter

t 1ms

t=0

t~10 µs

t~1 ms

Kvarkki-gluoni plasma QGP (kvarkkiaine)

Yhteys kosmologiaan

QCD: ON OLEMASSA FAASITRANSITIO (eli olomuodonmuutos)

hadronikaasuhadronikaasu ↔↔ kvarkkikvarkki--gluoniplasmagluoniplasma (QGP) !(QGP) !

Luonnollinen yksikköjärjestelmä: c = ħ = kB = 1Kriittinen lämpötila Tc ~ 10

12 K ~ 170 MeV ja – energiatiheys εc ~ 1 GeV / fm3

Vahvasti vuorovaikuttavan aineen olomuodot

Suurenergiaiset raskasionitörmäykset

- Kokeellispainotteista perustutkimusta, jonka tavoitteena

1. Todentaa QGPn – aineen uuden olomuodon - olemassaolo

2. Selvittää QGPn ominaisuudet eli tutkia vahvasti vuorovaikuttavan QCD-aineen termodynamiikkaa

- Tämä onnistuu, etenkin ydinten nokkakolareissa, kun * A~200 = raskas* törmäävien suihkujen E ≥ 10 GeV/n » mp ; ultrarelativistinen* voidaan tutkia useita QGP-signaaleja

- Alalla 1500-2000 fyysikkoa – hyvin kansainvälinen ala!

- Suomessa: perinteikkäät teoriaryhmät Jyväskylässä ja Helsingissä,nyt myös kokeellinen ALICE-ryhmä JKL/HKI

www.urhic.phys.jyu.fi www.hip.fi

Keskeinen Au+Au törmäys = ydinten nokkakolari- tihein mahdollinen systeemi syntyy; edullisin QGPn muodostumiselle - maksimaalinen määrä hituja lopputilassa- törmäystapahtuma kestää kokonaisuudessaan ~ 10-22 s !!

Simulaation tekijä J. Mitchell: www.bnl.gov/rhic/

Raskasionitörmäyksen dynamiikkaa

Raskasionitörmäyksen dynamiikkaa

Laskut ja simulaatio: Harri Niemi, JYFL

Au + Au törmäys Brookhaven National Laboratorion RHIC –törmäyttimessä(RHIC = Relativistic Heavy Ion Collider)

Tuotetun poikittaisenergian määrä- saadaan kalorimetrista tai hitujakaumista eli ”spektreistä”

→ energiatiheydet heti tuoton jälkeen > 5 x QGP-raja → systeemi ei ole hadronisessa olomuodossa t=1 fm/c:ssä !

Katso myöswww.physicstoday.org/vol-56/iss-10/p48.html

zyx dpdpdpdNE

Hadronien spektri

eli ”niiden törmäyksessä tuotettujenhadronien lukumäärä dN, joiden

liikemäärä (px, py, pz) on välillä(px+dpx, py+dpy, pz+dpz)”

Esimerkki kokeellisesti mitattavasta suureesta:

Miksi ALICE –koeCERN:n LHC -törmäyttimelle?

LHCssä QGP on kuumempaa ja elää pidempään !

s 10 23−

OSA III

Muutama sanakokeellisesta fysiikasta

ALICE koe (A Large Ion Collider Experiment)

Size: 16 x 26 metersWeight: 10,000 tonnesALICE

Hiukkasten havaitsemisen perusteita

1. ”Track detectors”- mittaavat ratoja ja kulmia

2. ”Calorimeters”- mittaavat energiaa- tyypillisesti jaetaan hadronisiin ja sähkömagneettisiin

”Havaitseminen vaatii mittalaitteen ja havaintokohteen välisen vuorovaikutuksen”

Lankakammio

Puolijohdeilmaisimet

Kalorimetrit

• varatut hidut ionisoivat kaasua• elektronit kerätään anodilangoille (~2 mm välein)• useita päällekkäisiä kammioita (katodilevyt ~2 cm välein)• elektronit havaitaan virtana langoissa• aikaeroista saadaan tarkka paikkatieto

• varatut hidut luovat elektroni-aukko pareja materiaaliin• elektronit ja aukot erotetaan sähkökentällä ja

kerätään elektrodeille• erittäin tarkka paikkainformaatio, ~10 µm• yleensä lähimpinä vuorovaikutuspistettä (tarkkuus)• huonoa: kalliita ja säteily vaurioittaa ajan myötä

• näkevät myös neutraalit hiukkaset !!• mittaavat hiukkasten energiaa• tiivistä materiaa, joka absorboi törmäävät hiukkaset• uloimpia, eli (varattujen) hiukkasten radat mitattujo ennen kalorimetriin saapumista

• SM kalorimetrit tyypillisesti lyijyä, hadroniset rautaa

http://hands-on-cern.physto.se/ani/det_cms/cms_slic e.swf

Animaatio osoitteessa:

Data-analyysi

Haasteita:- Kuinka edellä kuvatut sähköiset impulssit käsitellään ja tulkitaan?

� runsaasti haastavaa fysiikkaa, ei ”pelkkää” rautapuolta- ~500 eri instituuttia/yliopistoa analysoi LHC:n dataa- tutkijoita LHC:n piirissä on ~5000, joista ALICE:ssa ~1000- dataa kertyy ~ 15 miljoonaa GB vuodessa (~ gigabittejä / s)

� vastaa noin 20 km korkuista pinoa CD-levyjä, vuosittain !!- datan on oltava saatavilla ainakin 15 vuotta

GRID• verkko, jossa yhteensä ~100 000 prosessoria• ultranopea kaista, saavutettu 11 000 km nopeudella 6.25 GB/s

(eli ~1 DVD elokuva 5 s välein)• data käsitellään vaiheittain: ”raakadata” => ”esikäsitelty”• Jyväskylässä analysoidaan (lähinnä) ”esikäsiteltyä” dataa

FYYSIKON TYÖKALUPAKKI:1. Fysiikan taidot (itsestään selvää)2. Matematiikan taidot3. Tietotekniikka, erityisesti ohjelmointi4. Englannin kieli5. Valmius ryhmätyöskentelyyn

KIITOS !