11

Przekaz liczby barionowej wzderzeniach hadron-hadron, hadron-jądro i jądro-jądro

P.SzymańskiP.SzymańskiZespół NA49Zespół NA49

22

Plan

WstępWstęp

Zderzenia elementarne Zderzenia elementarne Oddziaływania Oddziaływania ppPbPb

Oddziaływania PbPbOddziaływania PbPb

PodsumowaniePodsumowanie

33

Plan

WstępWstęp• Cel badań – co się dzieje z liczbą barionową?Cel badań – co się dzieje z liczbą barionową?• ModeleModele• Sposób opisu danych doświadczalnych Sposób opisu danych doświadczalnych • Bariony netto – po odjęciu barionów z par Bariony netto – po odjęciu barionów z par

BBBB• Stan badań doświadczalnych – oddziaływania Stan badań doświadczalnych – oddziaływania

pppp• Poszerzenie zakresu badań–oddziaływania pA Poszerzenie zakresu badań–oddziaływania pA

i AAi AA

44

Pytania

Gdzie „znajduje” się liczba barionowa?Gdzie „znajduje” się liczba barionowa? Co się z nią dzieje w zderzeniu barionów?Co się z nią dzieje w zderzeniu barionów?

Brak ilościowych przewidywań teoretycznychBrak ilościowych przewidywań teoretycznych• podejście perturbacyjne nie działapodejście perturbacyjne nie działa

„Miękki” sektor QCD – większość „Miękki” sektor QCD – większość Modele parametryzujące dane Modele parametryzujące dane

Potencjalne odpowiedzi

55

Modele

Dual modelDual model•LLiczba barionowa w di-kwarku,iczba barionowa w di-kwarku,

„„JJunction pictureunction picture”” (Rossi/Veneziano(Rossi/Veneziano)) •Liczba barionowa w polu gluonówLiczba barionowa w polu gluonów

Liczba barionowa możeLiczba barionowa może

podróżowaćpodróżować na duże odległościna duże odległości

66

Jak opisać dane doświadczalne?

Podłużna przestrzeń fazowa:Podłużna przestrzeń fazowa: TLdpdp

d 2

ZZmienna skalująca:mienna skalująca: 2/s

px LF

Fdx

dpo wycałkowaniu po pędzie poprzecznympo wycałkowaniu po pędzie poprzecznym

N cząstek – redukcja do inkluzywnej produkcjiN cząstek – redukcja do inkluzywnej produkcji protonów protonów

Najprostszy sposób badania przekazu liczby barionowejNajprostszy sposób badania przekazu liczby barionowej

Od stanu Od stanu do stanu do stanu początkowego początkowego końcowegokońcowego

77

•Jeżeli pary o I=0, trzeba odjąćJeżeli pary o I=0, trzeba odjąć

•Jeżeli pary o I=1 ile Jeżeli pary o I=1 ile odjąć?odjąć?

Trzeba mierzyć również antyptorony

Część protonów w stanie końcowym pochodzi z produkcji paCzęść protonów w stanie końcowym pochodzi z produkcji parr

barion-antybarion – nic wspólnego z liczbą barionową stanubarion-antybarion – nic wspólnego z liczbą barionową stanu

początkowego początkowego

PARZPROTONYFPROTONYFNETTOPROTONYF dx

dN

dx

dN

dx

dN

nppppnnn

pnn

pp

p

88

Stan badań eksperymentalnych (xF,pT) Niezadowalający nawet dla najprostszego pomiaruNiezadowalający nawet dla najprostszego pomiaru inkluzywnegoinkluzywnego

GeVs 2010 •Stała tarcza (SPS)Stała tarcza (SPS)

•Zderzacz (ISR)Zderzacz (ISR)

•Zderzacz (RHIC)Zderzacz (RHIC)

•Zderzacz (LHC)Zderzacz (LHC)

GeVs 6020

GeVs 200

TeVs 140.0 0.5 1.0

xF

0

0.5

1

1.5

2

pT [

GeV

]

0.0 0.5 1.0xF

0

0.5

1

1.5

2

pT [

Ge

V]

99

•proton-jądro (pA)proton-jądro (pA)

•jądro-jądro (AA)jądro-jądro (AA)

Co się dzieje gdy liczba zderzeń rośnie ?Co się dzieje gdy liczba zderzeń rośnie ?

Jak poszerzyć zakres danych? intensyfikacja przekazu liczby barionowej w zderzeniach intensyfikacja przekazu liczby barionowej w zderzeniach

wielokrotnych – oddziaływania pA i AA wielokrotnych – oddziaływania pA i AA

L L

Before After

co llis ions

co llis ion

b

collisions

collision

b

L

b

L

co llis ions

Before

A fter

mean

collisions

b

1010

Podsumowanie Wstępu

• Niewystarczające pokrycie przestrzeni fazowej Niewystarczające pokrycie przestrzeni fazowej

w większości eksperymentóww większości eksperymentów

• Przeważnie brak danych uniemożliwia Przeważnie brak danych uniemożliwia

całkowanie po pędzie poprzecznymcałkowanie po pędzie poprzecznym

• Zderzacze: strefa eksperymentalna powinna Zderzacze: strefa eksperymentalna powinna

wydłużać się wydłużać się s dla utrzymania pokrycia s dla utrzymania pokrycia

przestrzeni fazowej. Dla LHC powinna przestrzeni fazowej. Dla LHC powinna

osiągnąć osiągnąć 500m (wymaga specyficznej 500m (wymaga specyficznej

konstrukcji maszyny)konstrukcji maszyny)

• Dane z oddziaływań wielokrotnych przydatneDane z oddziaływań wielokrotnych przydatne

– – inteintennsyfikacja przekazu syfikacja przekazu liczby barionowejliczby barionowej

1111

Plan

WstępWstęp

Zderzenia elementarneZderzenia elementarne• Eksperyment NA49Eksperyment NA49• Podwójnie różniczkowy przekrój czynny na Podwójnie różniczkowy przekrój czynny na

produkcję protonów i antprodukcję protonów i antyyprotonów protonów • Przekrój czynny wycałkowany po pędzie Przekrój czynny wycałkowany po pędzie

poprz.poprz.• Uwzględnienie protonów produkowanych w Uwzględnienie protonów produkowanych w

parachparach• Faktoryzacja pocisk-tarcza Faktoryzacja pocisk-tarcza

Oddziaływania Oddziaływania ppPbPb

Oddziaływania PbPbOddziaływania PbPb

PodsumowaniePodsumowanie

1212

Eksperyment NA49 (1995-2002, CERN/SPS)

Zestaw dużych

Komór Projekcji Czasowej

(TPC) detektory śladowe

połączone

z identyfikacją cząstek przez

pomiardx

dE

1313

antyprotonyantyprotony ppTT=0.1 GeV/c=0.1 GeV/c

ppTT=1.5 GeV/c=1.5 GeV/c

Pokrycie przestrzeni fazowej przy 6mln przypadków pp

Identyfikacja cząstek : 0<xIdentyfikacja cząstek : 0<xFF<1, 0<p<1, 0<pTT<2 <2 GeV/cGeV/c

protony protony ppTT=0.1 GeV/c=0.1 GeV/c

ppTT=1.9 GeV/c=1.9 GeV/c

1414

Po wycałkowaniu po pT

581.0PN 019.0P

N

Trzeba odjąć protony produkowane w parachTrzeba odjąć protony produkowane w parach

1515

czy ?

Wyznaczenie liczby protonów produkowanych w Wyznaczenie liczby protonów produkowanych w parachparach--pomiar produkcji antyprotonówpomiar produkcji antyprotonów

0πpn

nn

nppppn

nn

pp

pp

np

p

p

pociski o różnym izospinie

Do wyznaczenia liczby protonów netto trzeba odjąć Do wyznaczenia liczby protonów netto trzeba odjąć 60% więcej antyprotonów60% więcej antyprotonów

ta sama tarcza (faktoryzacja)

1616

Zależność produkcji par barionów od izospinu pocisku rzuca światło na mechanizm ich produkcji

Anihilacja kwarków morza Anihilacja kwarków morza Fuzja gluonowa Fuzja gluonowa symetryczne pary symetryczne pary BBBB

Ciężkie mezony możCiężkie mezony możlliwym źródłem par barionówiwym źródłem par barionówBariony „pamiętają” dane pociskuBariony „pamiętają” dane pocisku

M.Bourquin, J-M.Gaillard Phys.Lett. B59 (1975) 191M.Bourquin, J-M.Gaillard Phys.Lett. B59 (1975) 191

B

B

q

q

B

B

g

g

1717

Czy widać faktoryzację tarcza-pocisk?Szybki proton w jednej półkuli – protony netto w przeciwnej

2

-1 .0 -0.5 0.0 0.5 1.00

0.2

0.4

0.6

0.8

xF

d N

/ d

xF

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.00

0.2

0.4

0.6

0.8

xF

d N

/ d

xF

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.00

0.2

0.4

0.6

0.8

xF

d N

/ d

xF

Dwu-składnikowy mechanizm produkcji cząstekDwu-składnikowy mechanizm produkcji cząstek Wkład od pocisku i tarczy wyraźnie rozdzielony Wkład od pocisku i tarczy wyraźnie rozdzielony Przekaz liczby barionowej między nimi ograniczony do Przekaz liczby barionowej między nimi ograniczony do |x|xFF|<0.3 |<0.3 wyklucza znaczące przesunięcia w pośpieszności wyklucza znaczące przesunięcia w pośpieszności przewidywane przez „przewidywane przez „junction picturejunction picture” podejście” podejście

Pocisk bez liczby barionowej

1818

Podsumowanie Zderzeń Elementarnych

• Dane NA49 o produkcji protonów i antyprotonów Dane NA49 o produkcji protonów i antyprotonów

znacznie poszerzają materiał doświadczalnyznacznie poszerzają materiał doświadczalny

• Produkcja asymetrycznych par barionów – Produkcja asymetrycznych par barionów –

sugeruje sugeruje inny inny mechanizm produkcji mechanizm produkcji niż produkcja niż produkcja

centralna centralna

• Pierwsza obserwacja dPierwsza obserwacja dwuskładnikowwuskładnikowegoego mechanizm mechanizmuu

przekazu liczby barionowej przekazu liczby barionowej – pocisk i tarcza– pocisk i tarcza

• Wzajemne przenikanie wkładów od tarczy i pocisku Wzajemne przenikanie wkładów od tarczy i pocisku

ograniczone do |xograniczone do |xFF|<0.3 |<0.3 – więzy dla „junction picture”– więzy dla „junction picture”

1919

PlanPlan

WstępWstęp

Zderzenia elementarneZderzenia elementarneOddziaływania pPb Oddziaływania pPb

• Centralność zderzenia Centralność zderzenia • Wyznaczona on-line liczba „szarych Wyznaczona on-line liczba „szarych

protonów”protonów”• Protony netto w pPb w zależności od Protony netto w pPb w zależności od

centralnościcentralności Zmierzona faktoryzacja – bezbarionowy pociskZmierzona faktoryzacja – bezbarionowy pocisk Spiętrzenie wkładu od pocisku Spiętrzenie wkładu od pocisku

Oddziaływania PbPbOddziaływania PbPb

PodsumowaniePodsumowanie

2020

Oddziaływanie hadron-jądro – centralność zderzenia

„„uderzone” nukleony powodują emisję uderzone” nukleony powodują emisję „„szarych protonów” szarych protonów” 0.15<p0.15<pLABLAB<1.5GeV/c<1.5GeV/c

L L

Before After

co llis ions

co llis ion

b

collisions

b

collision

Liczba zderzeń Liczba zderzeń pocisku zależy odpocisku zależy od liczby „szarychliczby „szarych protonów”protonów”

Dla tej samej liczby zderzeń Dla tej samej liczby zderzeń produkują więcej szarych produkują więcej szarych protonów niż protonyprotonów niż protony(„mniejszy” pocisk musi („mniejszy” pocisk musi uderzyć bardziej centralnie)uderzyć bardziej centralnie) 0 5 10 15

ng

0

2

4

6

Pb

pPb

2121

Oddziaływanie hA – pomiar liczby „szarych protonów”

NA49 „NA49 „centrality centrality detectordetector””

Licznik proporcjonalnyLicznik proporcjonalnyotaczający tarczęotaczający tarczę256 padów 256 padów

Włączony w system Włączony w system wyzwalania NA49wyzwalania NA49

2222

Produkcja protonów netto w pPb w zależności od centralności zderzenia

-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5xF

0

0.5

1

1.5

2

dN

/dx

F

<>=4.6

<>=2.5• dN/dxdN/dxFF dla różnej liczby dla różnej liczby zderzeń pociskuzderzeń pocisku

ze wzrostem liczby ze wzrostem liczby zderzeń pocisku rozkład zderzeń pocisku rozkład gęstości protonów netto gęstości protonów netto przesuwa się w kierunku przesuwa się w kierunku xxFF=0=0

znany efekt, myląco znany efekt, myląco zwany zwany „stopping”„stopping”

2323

Czy można wydzielić wkłady pocisku i tarczy dorozkładów protonów netto w oddziaływaniach pPb?

2

Pocisk z liczbą barionową netto równą 0:

-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5xF

0.01

0.1

1

dN

/dx F

<>=1.

<>=2.2

<>=4.7

•Już pokazane wyniki w skali log•Konformalne przejście od <>p do <>Pb

0 1 2 3 4 5

0

0.4

0.8

1.2

dN

/dx

F

Spiętrzenie wkładu od tarczy:rośnie liniowo z liczbą zderzeń pocisku

2424

Odjęcie zmierzonego wkładu od tarczy od rozkładu protonów netto

PbFpPbTOTFpPbPROJF dx

dN

dx

dN

dx

dN

,,

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0xF

0.1

1

dN

/dx

F

<>=2.5

<>=4.6

<>=1

ZZe wzrostem centralnoście wzrostem centralnościistotny wzrost przekazuistotny wzrost przekazuliczby barionowej w kierunku xliczby barionowej w kierunku xFF=0=0

Wynik niezależny od Wynik niezależny od modelumodelu (oparty tylko na (oparty tylko na zachowaniu zachowaniu liczby barionowej) liczby barionowej)

2525

Podsumowanie oddziaływań pPbPodsumowanie oddziaływań pPb

Centralność zderzenia on-line Centralność zderzenia on-line

Protony netto w funkcji liczby zderzeńProtony netto w funkcji liczby zderzeń• Pierwszy raz wyznaczona faktoryzacja tarczy Pierwszy raz wyznaczona faktoryzacja tarczy

i pocisku – pomiar z bezbarionowym i pocisku – pomiar z bezbarionowym pociskiempociskiem

• Spiętrzenie wkładu od pocisku liniowe z Spiętrzenie wkładu od pocisku liniowe z liczbą zderzeń liczbą zderzeń

• Wkład od pocisku – w porównaniu z pp Wkład od pocisku – w porównaniu z pp przesunięcie w stronę xprzesunięcie w stronę xFF=0 rosnące ze =0 rosnące ze wzrostem liczby zderzeń wzrostem liczby zderzeń

2626

PlanPlan

WstępWstęp

Zderzenia elementarneZderzenia elementarneOddziaływania pPb Oddziaływania pPb Oddziaływania PbPbOddziaływania PbPb

• Wyznaczenie centralnościWyznaczenie centralności• Pomiar produkcji protonów i antyprotonówPomiar produkcji protonów i antyprotonów• FaktoryzacjaFaktoryzacja• Zależność wkładu od pocisku od centralności Zależność wkładu od pocisku od centralności

PodsumowaniePodsumowanie

2727

Oddziaływania PbPb

b L

b

L

co llis ions

Before

A fter

mean

collisions

Centralność określona przez:Centralność określona przez:•n par uczestniczących nukleonówn par uczestniczących nukleonów zderzeń tychżezderzeń tychże

Wyznaczona z pomiaru liczby Wyznaczona z pomiaru liczby cząstek naładowanych i modelu:cząstek naładowanych i modelu:

0 200 400 600 800 1000 1200< nCH >

0

50

100

150

nP

0 200 400 600 800 1000 1200< nCH >

0

1

2

3

4

para ulega średniopara ulega średnio zderzeniomzderzeniom

nn par nukleon-nukleon par nukleon-nukleon uczestniczących w zderzeniuuczestniczących w zderzeniu

2828

Wyznaczenie gęstości protonów netto poprzez pomiar produkcji p ip dla różnych centralności

PROTONYFdx

dN

YANTYPROTONFdx

dN

-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3xF

0.4

0.6

0.8

1

dN

/dx

F

<>=2.15

0 5 10 15

<>=2.65

<>=3.15

<>=4.25

-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3xF

0

0.05

0.1

0.15

dN

/dx

F

<>=2.65

<>=4.25

<>=2.15

<>=3.15

2929

Czy można wydzielić wkłady pocisku i tarczy do rozkładów protonów netto w oddziaływaniach PbPb?

• można użyć symetrii PbPb do wyznaczenia wkładu od pocisku dla xF=0

• dla xF>0.2

• interpolacja między xF 0. i 0.2

Brak jądra bez barionów Brak jądra bez barionów

-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5xF

0

0.2

0.4

0.6

dN

/dx

F

<>=2.15

<>=3.15

<>=2.65

<>=4.25

POCISKFTOTF dx

dN

dx

dN

Podobnie jak dla pPb przekaz Podobnie jak dla pPb przekaz liczby barionowej liczby barionowej rośnie w kierunku xrośnie w kierunku xFF=0 =0

Efekt mniejszy niż dla pPb przy Efekt mniejszy niż dla pPb przy zbliżonej liczbie zderzeńzbliżonej liczbie zderzeń

3030

Podsumowanie oddziaływań PbPbPodsumowanie oddziaływań PbPb Centralność zderzenia: Centralność zderzenia: n n par uczestników par uczestników zzderzderzających się średnio <ających się średnio <> razy> razy PomiarPomiar produkcji protonów i antyprotonów produkcji protonów i antyprotonów Wkład od pocisku wyznaczony dla xWkład od pocisku wyznaczony dla xFF=0 i =0 i

xxFF>0.2>0.2• Brak bezbarionowego pociskuBrak bezbarionowego pocisku• SymeSymettria i ograniczony przepływ między półkulamiria i ograniczony przepływ między półkulami

Ze wzrostem Ze wzrostem centralności silniejsze przesunięcie centralności silniejsze przesunięcie liczby barionowej w kierunku xliczby barionowej w kierunku xFF=0=0

• Dla tej samej liczby zderzeń efekt mniejszy niż dla Dla tej samej liczby zderzeń efekt mniejszy niż dla pPbpPb

3131

PlanPlan

WstępWstęp

Zderzenia elementarneZderzenia elementarneOddziaływania pPb Oddziaływania pPb Oddziaływania PbPbOddziaływania PbPbPodsumowanie – Podsumowanie –

czego możemy nauczyć się z danych?czego możemy nauczyć się z danych?• porównanie zderzeń pojedynczych i wielokrotnychporównanie zderzeń pojedynczych i wielokrotnych• rozpad kaskadowy rezonansów możliwym źródłem rozpad kaskadowy rezonansów możliwym źródłem

przekazu liczby barionowej przekazu liczby barionowej

3232

Porównanie zderzeń pojedynczych i wielokrotnychPorównanie zderzeń pojedynczych i wielokrotnych

• Dyfrakcja: Dyfrakcja: pp: 15% zderzeńpp: 15% zderzeńpA: prawd. pA: prawd. kolejnych kolejnych

zderzeń zderzeń dyfrakcyjnych: (0.15)dyfrakcyjnych: (0.15) 10 10-5-5

• 15% najbardziej centralnych15% najbardziej centralnychpp: 15% zderzeńpp: 15% zderzeńpA: prawd. choć jednego pA: prawd. choć jednego

centralnegocentralnego1-(0.85)1-(0.85) 0.56 0.56

=5

=5

pp – dane minimum-bias (nie ma selekcji pp – dane minimum-bias (nie ma selekcji centralności)centralności)

pA i AA: w porównaniu z proton-protonpA i AA: w porównaniu z proton-protonwzbogacone o centralne zderzenia hadronówwzbogacone o centralne zderzenia hadronów

3333

Porównanie zderzeń pojedynczych i wielokrotnychPorównanie zderzeń pojedynczych i wielokrotnychCzy jest związek między centralnością zderzenia pp Czy jest związek między centralnością zderzenia pp i i protonem wprotonem w stanie końcowym? stanie końcowym?

• Jak wyznaczyć centralnośćJak wyznaczyć centralność? ? LiLiczba pionówczba pionów

Przekaz lPrzekaz l. . bb. w pp, pA, AA . w pp, pA, AA zależy od centralności zależy od centralnościJaka jest przyczyna przekazu liczby barionowej?Jaka jest przyczyna przekazu liczby barionowej?

•Ze wzrostem Ze wzrostem centralności xcentralności xFF protonu maleje.protonu maleje.

•Protony w Protony w proton-proton po proton-proton po odjęciu piku odjęciu piku dyfrakcyjnegodyfrakcyjnego

3434

Kaskadowy rozpad rezonansów możliwym źródłem przekazu liczby barionowej

Wzbudzony układ hadronowy z liczbą barionowąWzbudzony układ hadronowy z liczbą barionową Rozpadający się na obiekty o zbliżonych masachRozpadający się na obiekty o zbliżonych masach:: Większa centralność: silniejszy przekaz l.b.Większa centralność: silniejszy przekaz l.b. Praca nad zbadaniem ilościowym w tokuPraca nad zbadaniem ilościowym w toku

RODZICAF

DZIECKAF xx

2

1

N*(1720) p(938)(770) 75% p(938)(140) 10%

M(>2GeV) pp (LEAR)