Ralf Averbeck Stony Brook University Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 8. Juni 2005 Medium Effekte in der Charm Produktion Ein Blick ins

Ralf Averbeck Stony Brook University

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 8. Juni 2005

Medium Effekte in der Charm Produktion

Ein Blick ins Innere des Quark-Gluon Plasma

Ralf Averbeck,2Universität Bonn, 8. 6. 2005

Übersicht Einführung

Hochenergie Kernphysik: wieso, weshalb, warum? RHIC und seine Experimente

Das Medium am RHIC: Quark-Gluon Plasma? Schwere Quarks: Sonden für das Medium Ausgewählte Resultate:

Charm und J/ Produktion bei √sNN = 200 GeV– Proton-Proton Kollisionen: Referenz für nukleare Systeme– Deuteron-Gold Kollisionen: Effekte in kalter Kernmaterie– Gold-Gold Kollisionen: Effekte im heissen Medium

Zusammenfassung Ein Blick in die Zukunft


Was geht uns das an? Der Stoff aus dem wir Menschen sind:

Organe Zellen Moleküle Atome Elektronen und

Kerne Protonen und

Neutronen Quarks und Gluonen

Letztere hat Niemand je gesehen!

Die Quarkmasse ist nur ~1 % der Nukleonmasse! Eigenschaften der starken Wechselwirkung: QCD


Was ist das Besondere der QCD? Quantenchromodynamik QCD Das QCD Vakuum ist nicht leer!

Die Eichbosonen (Gluonen) tragen Farbladung (im Gegensatz zu Photonen in der QED)!

Farbeinschluss und Massengenerierung haben mit der Wechselwirkung von Quarks und Gluonen mit dem QCD Vakuum zu tun!


Eine Lösung der QCD Puzzles? Der Schlüssel:

Zusammenfügen von Partonen zu Hadronen führt zu– Einschluss von Partonen (Träger von QCD Farbladungen)– „dynamischer“ Generierung von Masse (chirale Symmetrie)

„Einfrieren“ von Freiheitsgraden: Phasenübergang!

Der erste Versuch eines Parton-Hadron Phasen- übergangs war erfolgreich (vor 1010 Jahren)!

Mikrosekunden nach dem Urknall


Eine Reise zurück in der Zeit Phasendiagramm stark

wechselwirkender Materie: der ideale QCD Spielplatz

Wie bringt man Kernmaterie in Extremzustände? mit Gewalt! relativistische Kern-Kern

Kollisionen

neutron stars

Quark Matter

Hadron Resonance Gas

Nuclear Matter

Color Superconductor

SIS

AGS

SPS

RHIC& LHC

early universe

B

T

TC~170 MeV

940 MeV 1200-1700 MeVbaryon chemical potentialte

mp

erat

ure


Parameter zwei unabhängige Ringe 3.83 km Umfang Kollisionen von beliebigen Kernen

und polarisierten (!) Protonen Schwerpunktsenergie

– bis zu 500 GeV für p-p– bis zu 200 GeV für Au-Au (pro N-N Paar)

Luminosität– p-p : 2 x 1032 cm-2 s-1 – Au-Au: 2 x 1026 cm-2 s-1

RHIC RHIC = Relativistic Heavy-Ion Collider Standort: Brookhaven National Laboratory


Experimente am RHIC

STARSTAR


PHENIX: im Prinzip3 Detektoren zur Ereignischarakterisierung

Vertexposition Zentralität: peripher oder zentral? Reaktionsebene

2 Forwärtsspektrometer Muonen Pseudorapidität

1.2 < || < 2.4 Impuls p 2 GeV/c

2 zentrale Spektrometer Hadronen Elektronen Photonen Pseudorapidität 0.35 Impuls p 0.2 GeV/c


PHENIX in der Realität


Spektroskopie in PHENIXSpurrekonstruktion

und Impulsmessung im Magnetfeld Driftkammer (DC) Padkammern (PC) Identifizierung von

TeilchenPhotonen

–keine Spur–Schauer im

Kalorimeter (EMCAL)

Hadronen–Spur–dE/dx im EMCAL–Flugzeit

(EMCAL und TOF Szintillator)

Elektronen–Spur–Cherenkov Licht im RICH–Schauer im Kalorimeter (EMCAL)


Eine Au-Au Kollision in PHENIX

Animation: Jeff Mitchell, BNL


Anatomie einer Au-Au Kollisiontime

Harte Streuprozesse

AuAu

Hadronisierung

Ausfrieren

QGP Bildung und Thermalisierung

Raum

Zeit

Expansion

Jet cc e pK

QCD Tests:

Farbeinschluss

chirale Symmetrie


Elektromagnetische Strahlung: , e+e,

selten, Sonden für alle Zeit-skalen, da starke Endzu- standswechselwirkung fehlt–Schwarzkörperstrahlung

anfängliche Temperatur– In-Medium Eigenschaften von

Mesonen Wiederherstellung der chiralen Symmetrie

Hadronen: , K, p häufig, “spät” produziert

(beim Ausfrieren)– Energiedichte– Thermalisierung– (kollektives Verhalten)

Sonden für alle Zeitskalen

Produktion von einigen Tausend Teilchen pro zentraler Kollision

b ~ 0

Au Kern Au Kern

p

p

cc

J

qq

ee

“harte” Sonden: Jets, cc, direkte sehr selten, sehr früh produ-

ziert (vor QGP Formation)–durchdringen und wechselwirken

mit heissem und dichten Medium


Das Medium am RHIC: EnergiedichteKernmaterie: p,n Quark-Gluon Plasma: q, g

Dichte oder Temperatur

Nukleonenabstand:2 r0 ~ 2.3 fm

Nukleonenradius: rn ~ 0.8 fm

Naive Abschätzung der kritischen Energiedichte Grundzustand kritisch: Nukleonenüberlapp

30

33

030

/15.0

/16.04

3

34

fmGeV

fmrR

A

3

330

/44.0

/47.04

3

fmGeV

fmr

c

n

Bjorken Model: longitudinale Expansion

KernradiusR ~ 6.5 fm

dz dy

2R

Formationszeit ~ 0.3- 1 fm

dy

dE

RdzR

dE

V

E TTBJ

22

1

BJ ~ 5 – 15 GeV/fm3


Thermalisierung Gitter QCD

QCD Rechnungen auf einem diskreten Raum- Zeit Gitter

massiv parallele Computer

Phasenübergang für TC ≈ 170 MeV (1012 K) C ≈ 1 GeV/fm3

anfängliche Dichte und Temperatur am RHIC BJ = 5 – 15 GeV/fm3 Ti = 250 – 350 MeV

Gitter QCD für Dichte 0O. Kaczmarel et al., Phys. Rev. D 62, 034021 (2000)

Die Bedingungen für einen QCD Phasenübergang (Farbeinschluss und chirale Symmetrie) werden in

zentralen Au-Au Kollisionen am RHIC erfüllt!


g

g

medium

„Harte“ Sonden für das Medium Ideale Experiment zur Strukturuntersuchung

Rutherford: → Atom Entdeckung des Atomkerns SLAC: Elektron → Proton Entdeckung der Quarks

Gluon oder Quark Jets Hadronen mit grossem

Impuls

Quark-Gluon Compton Streuung „direkte“ Photonen

„Tomographie“ des Mediums am RHIC Sonde muss zu Beginn der

Kollision „selbstgeneriert“ werden

Parton-Parton Streuung mit grossem Impulsübertrag

Wie gut sind diese Sonden im Rahmen der QCD verstanden?


Direkte Photonen bei √sNN = 200 GeV Vergleich mit perturbativen QCD Rechnungen

p-p

Au-Au

Direkte Photonen sind eine kalibrierte Sonde Keine starke Endzustandswechselwirkung!

Nbinary:Zahl der bi-nären N-N Kollisionen; ergibt sich aus der Au-Au Kolli-sionsgeo-metrie


Pionen in p-p

peripheralN

coll = 12.3 4.0

centralN

coll = 975 94

Au-Au Au-Au

Hadronen bei √sNN = 200 GeV perturbative QCD beschreibt die p-p Daten

binäres Skalieren der kalibrierten Sonde funktioniert in peripheren Au-Au Kollisionen

starke Hadronenunterdrückung in zentralen Kollisionen: konsistent mit Energieverlust durch Gluon-Bremsstrahlung

Hadronen bleiben

im Medium

stecken!


Oder ist die Produktion unterdrückt? Modifikation der Parton Verteilung im Au-Kern

bei hoher Energie (Saturierung)? Kontrollexperiment: d-Au bei √sNN = 200 GeV

Kernmodifikationsfaktor:

Preliminary DataFinal Data

ppinAusbeuteN

AuAuinAusbeuteR

binaryAA

Hadronunterdrückung ist eindeutig ein

Endzustands Effekt!


Charm (cc) (und Bottom, bb) Produktion in hadronischen Kollisionen harter Prozess (mq >> QCD)

– perturbativ berechenbar auch bei kleinem Impuls

– in führender Ordnung (LO):– Quark-Antiquark Annihilation– Gluon Fusion

– Prozesse höherer Ordung?– Produktion über Fragmentation?

Das Experimentierprogramm in p-p, d-Au, Au-Au Kalibrierung in p-p Kollisionen Suche nach Medium Effekten

– Änderung der Produktionsrate: thermische Produktion im heissen Medium?

– Wechselwirkung mit dem Medium Energieverlust, Fluss? Gebundene Zustände: Quarkonia (J,

Komplementär zu anderen harten Sonden

Charm Produktion

D mesons

, ’,


PRL 94, 062301 (2005)

Ideal (aber sehr schwierig bei hohem Untergrund) Direkte Rekonstruktion von Zerfällen, z.B. STAR (in p-p und d-Au)

Wie misst man Charm Produktion?

Alternativ (aber indirekt) Beiträge semileptonischer Zerfälle

zu Leptonenspektren (Inklusiv & Paare)

STAR (p-p und d-Au)

c c

0DK

0D

K+

-

D0 K+ -

PHENIX: systematische e± Messungen in allen Systemen


Referenz: e± in p-p bei 200 GeV viele Quellen tragen zum

inklusiven e± Spektrum bei

Untergrundbestimmung Berechnung eines e±

Cocktail von allen bekannten Quellen

Direkte Messung des dominanten Untergrundes

– Konverter Methode– e+e- Paar Rekonstruktion

Elektronenüberschuss semileptonische Zerfälle schwerer Quarks

PHENIX data


Elektronenspektrum nach Untergrundabzug bei y = 0 PYTHIA: LO pQCD Rechnung

Parameter justiert zur Beschreibung aller Charm Daten bei kleineren Energien (√s ≤ 63 GeV)

Vergleich mit pQCD Rechnungen

PHENIX data

pT < 1.5 GeV/c: PYTHIA konsistent mit Daten

pT > 1.5 GeV/c: PYTHIA Spektrum „weicher“ als Daten „Harte“ Fragmentations-

funktion? Erhöhte Produktion von

Bottom? Beiträge höherer Ordnung?


Vergleich mit pQCD Rechnungen FONLL: Fixed Order Next-to-Leading Log pQCD Rechnung

(M. Cacciari, P. Nason, R. Vogt hep-ph/0502203) Beiträge von Prozessen höherer Ordnung

Bessere Beschrei-bung der spektra-len Form

pQCD liegt syste-matisch unter den DatenWeitere Produktions-

mechanismenJet Fragmentation?

Nächster SchrittMuonen Produktion

bei grosser Rapidität (vorwärts/rückwärts)


Anregungsfunktion der cc Produktion

Weitere Daten werden zum QCD Test benötigtCharm Wirkungsquerschnitt am RHIC: cc ≈ 1 mb x Nbinary

zentrale Au-Au Kollision: ≥ 20 cc (ohne Medium Effekte)!


PHENIX PRELIMINARY

1/T

ABE

dN/d

p3 [m

b G

eV-2]

Kalte Materie: d-Au bei 200 GeV e± Spektrum nach

Untergrundabzug Differenz in der

Systemgröße zwischen p-p und d-Au Kollisionen

„harte“ Sonde ohne Medium Effekte: d-Au = Nbinary x p-p

d-Au ≈ p-p skaliert

Nukleares Überlappintegral TAB:

Wirkungsquerschnitt ↔ Multiplizität binäre Skalierung

.inelpp

binaryAB

NT


1/T A

B1/

T AB

1/T A

B1/

T AB

1/T

ABE

dN/d

p3 [m

b G

eV-2]

1/T

ABE

dN/d

p3 [m

b G

eV-2]

1/T

ABE

dN/d

p3 [m

b G

eV-2]

1/T

ABE

dN/d

p3 [m

b G

eV-2]

Zentralitäts(un)abhängigkeit in d-Au

KEINE Anzeichen

für signifik

ante

Medium Effekte in

kalter K

ernmaterie!


PHENIX: PRL 94, 082301 (2005)

Das heisse Medium: AuAu bei 200 GeV Spektren von e± aus Zerfällen

schwere Quarks für verschiedene Zentralitätsklassen

Statistik ist unzureichend zum Studium der spektralen Form für pT > 1.5 GeV/c

Totale Ausbeute für pT > 0.8 GeV/c

Totale Charm Ausbeute in Au-Au entspricht der binär skalierten Ausbeute in p-p (wie für einen harten pQCD Prozess erwartet)!


ppAA

AAAA dT

dNR

PHENIX Preliminary

Charm in Au-Au: Spektren Kernmodifikationsfaktor RAA für e±

von schweren Quarks ist ver-träglich mit RAA(Hadronen)

Momentane Präzision ist nicht ausreichend zum Studium der Zentralitätsabhaängigkeit

Starke Medium Modifikation der spektralen Verteilung ist evident!

„Cocktail“ Analyse des voll-ständigen Au-Au Datensatzes

Anzeichen für Unterdrückung bei grossem pT!

RAA für Ausbeute ≥ 2.5 GeV/c


pT [GeV/c]

RA

A

Energieverlust schwerer Quarks Gluon Abstrahlung ist im Vakuum unterdrückt im

„dead cone“: < m/E (Dokshitzer, Kharzeev: PLB 519(2001)199)

Im Medium kann der „dead cone“ durch Medium induzierte Strahlung gefüllt werden (Armesto, Salgado, Wiedemann: PRD 69(2003)114003)

M. Djordjevic et al., hep-ph/0410372

N. Armesto et al. PRD 69(2003)114003

Gemessene Unterdrückung bei grossem pT In vernünftiger Überein-

stimmung mit theoretischen Rechnungen

Kann verschiedene Szenarien unterscheiden

Mit Vorsicht zu geniessen! Momentaner Theorievergleich

vernachlässigt Bottom Produktion

Für pT ≥ 4 GeV/c ist in den Daten ein signifikanter Beitrag von B Zerfällen zu erwarten


cc: wird früh produziert Kann gebundene Zustände bilden: J/ (wie?) Abschirmung der Farbladung im Medium

J/Unterdrückung (Matsui und Satz, PLB176(1986)416)

Gebundene cc Zustände: J/

Perturbative Vacuum

cc

Color Screening

cc in zentralen Pb-Pb Kollisionen am SPS J/Unterdrückung über “normale” nukleare

Absorption hinaus (NA50: PLB477(2000)28)

Aussichten am RHIC Höhrere cc Ausbeute als am SPS Möglicherweise J/ Anreicherung durch

cc Koaleszenz im abkühlenden Medium Wichtig: J/ Messung in p-p und d-A zur

Separation “normaler” Effekte in kalter Kernmaterie

Charm Messungen liefern wesentliche Vergleichsgrundlage


J/ → e+e- bei zentraler Rapidität (y = 0) J/ → +- bei Vorwärts- und Rückwärtsrapidität Produktions Mechanismus?

Totaler Produktions- wirkungsquerschnitt ist konsistent mit

– „Color Octet“ Modell: cc Farbneutralisation durch Gluonabsorption

– „Color Evaporation“ Modell: Gluon fragmentiert zu cc und absorbiert weiteres Gluon

„Color Singlet“ Modell (cc Koaleszenz in Singlet Zustand) im Widerspruch zu PHENIX (und Tevatron) Daten

Weitere Informationen aus Polarisationsmessungen

Referenz: J/ in p-p bei 200 GeV


gluons in Pb / gluons in p

X

Anti

Shadowing

Shadowing

Eskola, Kolhinen, Vogt, NP A696(2001)729

PHENIX North Muon Arm: y < 0

PHENIX Central Arms: y ≈ 0

PHENIX South Muon Arm: y > 0

Absorption in kalter Materie: d-Au/p-p < 2×197

Vielfachstreuung im Eingangskanal: „Verbreiterung“ der pT Verteilung in d-Au relativ zu p-p

Modifikation der Gluon Strukturfunktion im Kern „shadowing“ und „anti-shadowing“

J/ in kalter Kernmaterie: d-Au


J/ in d-Au: „pT-Verbreiterung“

1972 ppdA

High x2

~ 0.09

Low x2

~ 0.003Zunahme von mit pT → „pT-Verbreiterung“ des J/(Vielfach-Streuung im Eingangskanal oder Cronin-Effekt)

Vergleichbar zu Daten bei niedrigerer Energie (√s = 39 GeV) (E866/NuSea: PRL 84(2000)3256)


Klein,Vogt, PRL 91:142301,2003 Kopeliovich, NP A696:669,2001

PHENIX PRELIMINARY

J/ in d-Au/p-p als Funktion der Rapidität y Nukleare Absorption: Absolutwert des Verhältnis „(Anti)Shadowing“: Rapiditätsabhängigkeit

Indikation für schwache nukleare Absorption und schwaches „(Anti)Shadowing“ in den d-Au Daten

J/ in d-Au: Absorption/Shadowing


J/→ee

R. L. Thews, M. Schroedter, J. Rafelski, Phys Rev C 63, 054905Plasma Coalescence Model

Binary Scaling

Stat.ModelAndronic et al nucl-th/0303036

Absorption (Nuclear + QGP) + final-state coalescence

Absorption (Nuclear + QGP)L. Grandchamp, R. Rapp, Nucl Phys A709, 415; Phys Lett B 523, 60

y = 1.0

y = 4.0

RHIC Run-4 Au-Au (wird z.Z. analysiert) Statistik vergrößert um

Faktor ~40 Bessere Massenauflösung Besseres Verhältnis von

Signal zu Untergrund Zusätzlich J/ → +-

Unterscheidung ver- schiedener Szenarien wird möglich

RHIC Run-5 (Cu-Cu) Daten zur Massenabhängigkeit

J/ in Au-Au: anomale Unterdrückung? RHIC Run-2 (Au-Au bei 200 GeV)

J/ → e+e- (~12 Ereignisse): PRC69, 014901,2004 Nicht sehr aussagekräftig


Schematisches Massenspektrum mit möglichen Modifikationen durch den QCD Phasenübergang

Dileptonen: die ultimative Sonde

Chiral symmetry restorationcontinuum enhancement modification of vector mesons

thermal radiation or energy loss

suppression (enhancement)

Wiederherstellung der chiralen Symmetrie: Kontinuum bei niedrigen Massen

Neue Idee (E. Shuryak) gebundene (farbige)

Zustände im Quark-Gluon Plasma??

vorhergesagt für m ~ 2 GeV/c2!


real and mixed e+e- distributionsreal - mixed = e+e- signal

net e+e-

e+e- from charm(PYTHIA)

e+e- from lighthadron decays

Dielektronen in Au-Au bei 200 GeV (Run-2) Kombinatorischer Untergrund ist groß

Dileptonen am RHIC: Status

Was wird erwartet?Zerfälle leichter

Hadronen (Cocktail) Charm Zerfälle

(PYTHIA)

Daten sind verträg-lich mit Erwartung

Run-4 = 40 x Run-2

Untergrungsubtraktion ist unter Kontrolle Statistische Unsicherheiten sind groß


Zusammenfassung Indizien für einen neuen Materiezustand in Au-Au

Kollisionen am RHIC mehren sichSchwere Quarks und andere „harte“ Sonden

Eichung und pQCD Vergleich in p-p Referenzmessungen Studium von Medium Effekten in „kalter“ Kernmaterie in

d-Au Kollisionen Beobachtung von neuartigen Medium Effekten in heisser

Materie in Au-Au Kollisionen

Einzigartige Möglichkeit, stark wechselwirkende Materie jenseits des QCD Phasenübergangs zu studieren Aufhebung des Farbeinschluss Wiederherstellung der chiralen Symmetrie


RHIC

Ein Blick in die Zukunft: RHIC unmittelbare Zukunft

Erweiterung der Systematik: Cu-Cu; √sNN = 62 GeV detaillierte Zentralitätsabhängigkeit in Au-Au Elektronen bei höherem pT → Bottom wird zugänglich DILEPTONEN mit guter Statistik!

PHENIX Erweiterung und RHIC-II (bis 2010) Si-Pixel Vertex Spektrometer → Sekundärvertex (c,b) HBD („Hadron Blind Detector“) → Dalitz- und

Konversionsrejektion in Dileptonspektren RHIC-II (Luminositätserhöhung) → weitere Quarkonia


Terra Incognita

RHIC/LHC: hohe Temperatur, niedrige Baryonendichte GSI Zukunftsprojekt FAIR

moderate Temperatur, hohe Baryonendichte Kombination mit einzigartigem Hadronenphysikprogramm mit

Antiprotonenstrahlen

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