Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC

Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider

RHICMarkus D. Oldenburg

Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft

Aachen, 13. März 2003

Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 2

Übersicht

• Kernmaterie unter extremen Bedingungen

• RHIC & seine Experimente

• Experimentelle Ergebnisse – Teilchenspektren

– radialer und anisotroper Fluss

– Unterdückung von Teilchen mit hohem Transversalimpuls

– Jets bei RHIC-Energien

• Zusammenfassung & Ausblick


Phasendiagramm von Kernmaterie (nach QCD)

• T << QCD: starke Kopplung Quark-Einschluss in Hadronen

• T >> QCD: schwache Kopplung Quark-Einschluss aufgehoben (Deconfinement/Quark Gluon Plasma) Phasenübergang bei T~ QCD?

hier für zwei massenlose Quarkflavors (Rajagopal und Wilczek, hep-ph/-0011333)

• Untersuchung von Kernmaterie unter extremen Bedingungen (hohe Temperaturen und/oder hoher Druck)

Baryon

T


QCD-Gitterrechnungen• gleichzeitige Übergänge:

Deconfinement Wiederherstellung der chiralen Symmetrie

F. Karsch, hep-ph/0103314

kritische Energiedichte:4)26( CC T

TC ~ 175 MeVC ~ 1 GeV/fm3

Ideales Gas (Stefan-Boltzmann

Grenzfall)

q

q

q

q

q

qq

q

q

q

q

qq

qq

q

qq

qq

q

q

qq

q

q q

q

qq

qq

q

q

q

q

q

q

q

q

qq

q

qqq

qqq

qqq

q q

qq


Der Phasenübergang im Labor

elektro-magn. Signale (ll)

“harte” (high-pT) Physik

soft Physics(low-pT)

chemisches Ausfrieren (Tch Tc) : Ende der inelastischen Stöße

kinetisches Ausfrieren (Tkfo Tch): Ende der elastischen Stöße


The Relativistic Heavy-Ion Collider

• 2 unabhängige Beschleunigungsringe• 3.83 km Umfang• beschleunigt alles von p bis Au

Au+Au-Strahlzeit 2001/2002• 55-56 bunches pro Ring

(getested bis zu 110)• 7.5108 Au/bunch @ Speicherenergie• Speicherenergie: 100 GeV/A• Kollisionsenergie: 200 GeV/Nukl.-paar• Max. Luminosität: 51026 cm-2 s-1

pp-Strahlzeit 2001/2002• 55 bunches pro Ring• 0.81011 p/bunch• Energie/Strahl: 100 GeV• Max. Luminosität: 1.51030 cm-2 s-1

• Strahlpolarisation ~ 25% ( AGS)

Long IslandLong Island

STAR

PHOBOS

PHENIX

BRAHMS


STAR Magnetspule,

Tracking über großen Raumwinkelbereich,TPCs, Si-Vertex Tracker, RICH, EM Cal, TOF

~420 Mitarbeiter

Coils Magnet

Silicon Vertex Tracker

E-M Calorimeter

Time of Flight

Time Projection Chamber

Forward Time Projection Chamber

Electronics Platforms

• Hadronische Observablen in großem Raumwinkelbereich• Einzelereignis-Analyse von Hadronen und Jets

PHENIXAchsiales Magnetfeld,

Hohe Auflösung bei hoher Messrate,2 zentrale, 2 vorwärtsgerichtete Spektrometerarme

TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID~450 Mitarbeiter

• Leptonen, Photonen und Hadronen in ausgewählten Raumwinkeln• Gleichzeitige Messung von verschiedenen Phänomenen des Phasenübergangs

Die “großen” RHIC-Experimente


Die “kleinen” RHIC-ExperimenteBRAHMS

2 “herkömmliche” Spektrometer

Magnete, Tracking Chambers, TOF, RICH

~40 Mitarbeiter

PHOBOS 2-armiges “Table-top” Spektrometer

Magnet, Si--Streifen, Si-Mult.-Ringe, TOF

~80 Mitarbeiter

Ring Counters

Paddle Trigger Counter

Spectrometer

TOF

Octagon+Vertex

• geladenen Hadronen in ausgewählten Raumwinkelbereichen• Multiplizität in 4• Teilchenkorrelationen

• inklusive Teilchenspektren über große Rapiditätsbereiche


Geometrie einer Schwerionenkollision

Anzahl der Partizipanden (Npart): Anzahl der einlaufenden Nukleonen in der “Überlapp”-Region

Anzahl der binären Kollisionen (Nbin): Anzahl der inelastischen Nukleon-Nukleon Kollisionen

Stoßparameter bperiphere Kollision: b bmax

zentrale Kollision: b 0

Nbin Npart/2

peripher

zentral

b


Peripheres Ereignis(Echtzeit Level-3 Display)

STARSTAR

Farbkodierung Energieverlust


Zentrales Ereignis(Echtzeit Level-3 Display)

STARSTAR


Multiplizität geladener Teilchend

Nc

h/d

19.6 GeV 130 GeV 200 GeVPHOBOS Preliminary

zentral

peripher

Zentrale Kollisionen bei 130 GeV:

4200 geladene Teilchen!


“zentralste” Ereignisse

PHENIX

EMCAL

R2

Energiedichte

Bjorken ~ 4.6 GeV/fm3

~ 30fache Grundzustandsdichte von Kernmaterie ~ 1.5 bis 2 mal höher als am SPS (s = 17 GeV)~ 5 mal so groß wie critical von QCD-Gitterrechnungen

Bjorken-Formel für Energiedichte bei Thermalisierung (Modell !!!)

Zeit bis zur Thermalisierung (0 ~ 1 fm/c)~6.5 fm

Wie groß ist die erreichte Energiedichte? Vergleich mit der erwarteten

Energiedichte beim Phasenübergang

dy

dE

RT

Bj0

2

11

dydz 0

130 GeV


Teilchenspektren bei 200 GeV/N

+, -, K+, K- Spektren in Zentralitätsabhängigkeit

(130 GeV/N Daten in nucl-ex/0206008)

p und p-bar Spektren in Zentralitätsabhängigkeit

(130 GeV/N Daten in PRL 87 (2002))

STAR Preliminary

+ K-

STAR Preliminary

STAR Preliminary

_p

Jim Thomas

These are color coded by centrality. Make sure they agree with the previous slide. Are they divided by 5 or 10 at each step? Double check with Fuqiang and Raimond.


Antiteilchen zu Teilchen-Verhältnisse

Sehr gute Übereinstimmung der versch. RHIC-Experimente bei y = 0, s = 130 GeV

STAR-Ergebnisse für p-bar/p• p-bar/p = 0.11 ± 0.01 @ 20 GeV• p-bar/p = 0.71 ± 0.05 @ 130 GeV

• ursp. Veröffentlichung 0.60 ± 0.06

• p-bar/p = 0.80 ± 0.05 @ 200 GeV

p-bar/p ratios

K+/K- ratios

STAR

Jim Thomas

Get up-to-date numbers on p/p ratios


______

STAR preliminary

p+p p/p ISR

_

Anti-Baryon zu Baryon Verhältnis vs. sNN

• im frühen Universum

– p-bar/p = 0.999999

• Paarproduktion nimmt mit s zu.

• Die Region mittlerer Rapidität ist

(selbst am RHIC) noch nicht

Baryonen-frei!

• Paarproduktion ist größer als

Baryonentransport.

• 80% der Protonen stammen von

Paarproduktion.

• 20% werden über 5 Rapiditäts-

einheiten transportiert (“stopping”).

4Tr

pair

Y

Y

8.0

Transpair

pair

p

pbar

YY

Y

Y

Y

Baryonen werden am RHIC stärker paarweise erzeugt als aus den Anfangskernen zu mittleren

Rapiditäten transportiert.

Jim Thomas

NA49 pbar p point moved compared to old version of this slide. Check with an expert that this is correct.


Chemisches Ausfrieren (Thermisches Modell)Annahme: - Thermisch und chemisch equillibrierter Feuerball beim hadro-chemischen Ausfrieren. “Rezept”: - Groß-kanonisches Ensemble zur Beschreibung der Zustandsfunktion Teilchendichte für verschieden Teilchenarten i

- Randbedingungen: Volumen V, chem. Potential für Strangeness S, Isospin

input: gemessenen Teilchenverhältnisse output: Temperatur T und baryo-chemisches Potential b


Wo befinden wir uns im Phasendiagramm?

• Die Analyse des Endzustands legt nahe, dass wir uns nahe der Phasengrenze befinden.

• Mit den Daten aus den Hadronproduktionen können keine höheren Temperaturen gemessen werden!

Baryo-chemisches Potential b [MeV]

Frühes Universum

“Chem

isch

e”

Tem

pera

tur

Tch

[M

eV

]

0

200

250

150

100

50

0 200 400 600 800 1000 1200

AGS

SIS

SPS

RHICQuark-Gluon Plasma

Hadrongas

DeconfinementChiral Restauration

Lattice QCD

Atomkerne

Jim Thomas

add masashis comments about lattice results on left and neutron star on the right


Transversaler Fluss

Die transversale (radiale) Expansion der Quelle erhöht die kinetische Energie der Teilchen. Die klassische Schreibweise für die Gesamtenergie

legt daher einen linearen Ausdruck für die effektive Temperatur nahe:

-

K-

p

Au+Au bei 200 GeV

2KFOObs massTT

Die Steigungen nehmen mit zunehmender Teilchenmasse ab. <pT> und effektive Temperatur nehmen daher mit der Masse zu.

Tobs ≈ 215 MeV

Tobs ≈ 310 MeV

Tobs ≈ 575 MeV

STAR

Jim Thomas

upadate plot with latest from Wang-v2and changed tf0 to tobsMasashi and Raimond prefer to do this in terms of pt. But this work is not yet complete. Re-write these slides, someday, to do it all in terms of pt and the blast wave model fits. This is more physical.


Kinetischer Freezeout mit transversalem Fluss

<ßr> (RHIC) = 0.55 ± 0.1 c

Tkfo (RHIC) = 100 ± 10 MeV

Explosive (transversale) Expansion

Hoher Druck hohe Rescattering-Rate Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts wahrscheinlich

Jim Thomas

Get Masashi's latest results from his poster. Use blast wave fits and mean pt.


Anisotroper Fluss

px

py

y

x

• periphere Kollisionen

• “Überlapp” ist nicht (kugel)symmetrisch im Raum

• “Überlapp” hat Linsenform– Teilchen können einfacher in die x-z-Ebene

emittiert werden

– zur Seite gewandte Fläche ist größer als oben-unten

x

yz

nvn cosx

y

p

patan

• räumliche Anisotropie Anisotropie im Impulsraum

– Partonische Wechselwirkungen erzeugen Druck, der die ursprüngliche räumliche Anisotropie in die beobachtbare Impulsanisotropie transformiert.

• Fourierentwicklung der Impulsverteilung der Teilchen in der x-y-Ebene

• vn bezeichnet den Fourierkoeffizienten der Ordnung n

• die Fourierentwicklung wird relativ zur Reaktionsebene durchgeführt

• v1: “gerichteter Fluss”

• v2: “elliptischer Fluss”


Zentralitätsabhängigkeit von v2 (130 GeV)

• v2 erreicht hohe Werte

– 6% in peripheren Kollisionen

– entsprechend weniger in zentraleren Kollisionen

• Hydro-Modellrechnungen stimmen gut mit den Messergebnissen überein

– Im Gegensatz zu Kollisionen bei niedrigeren Energien, wo Hydro den anisotropen Fluss überschätzt

• Anisotroper Fluss ensteht durch Rescattering

– Da anisotroper Fluss zu späteren Zeiten unterdrückt wird (self-quenching), weisen die Daten auf eine frühe und damit schnelle Thermalisierung des Quelle hin.

Anisotroper Fluss erreicht am RHIC sehr hohe Werte

PRL 86, (2001) 402 [STAR; stimmt mit PHENIX überein]

ansteigende Zentralität

Hydro-Vorhersagen


v2 vs. pt und Teilchenmasse (130 GeV)

• Massenabhängigkeit wird von hydrodynamischen Modellen reproduziert– Hydro setzt lokales

thermisches Gleichgewicht voraus

– kurz nach der Kollision

– anschließende hydrodynamische Expansion der Quelle

PRL 86, 402 (2001) & nucl-ex/0107003 (STAR)

Hydro stimmt sehr gut mit den Daten

überein

D. Teaney et al., QM2001 Proc.P. Huovinen et al., nucl-th/0104020


v2 für high-pt Teilchen (130 GeV)

• pQCD, inelastischer Energieverlust + Hydro-Parametrisierung (M. Gyulassy, I. Vitev and X.N. Wang, PRL 86 (2001) 2537)

– Absolutwert von v2 bei hohem pt sensitiv auf die Gluonendichte

– Sättigung und anschließende Abnahme von v2 bei ansteigendem pt

• Messwerte weichen ab pt > 2 GeV/c vom hydrodynamischen Modell ab

Adler et al. (STAR), nucl-ex/0206006

Ergebnisse in qualitativer Übereinstimmung mit

“Jet-quenching”


“Harte” Stöße in Schwerionenkollisionen

• neue Möglichkeiten am RHIC Hard Parton Scattering sNN = 200 GeV @ RHIC – 17 GeV @ CERN SPS

• Jets und Mini-Jets – 30-50 % der Teilchenproduktion– High-pt leading Particles– Azimutale Korrelationen

• störungstheoretischer Bereich wird zugänglich– Berechnungen korrekt?

• gestreute Partonen erleiden Energieverlust (dE/dx ~ x) bei ihrem Weg durch das Farbmedium

– WW von Partonen mit partonischer Materie– Unterdrückung von Teilchen mit hohem pt: “jet quenching” Unterdrückung von Winkelkorrelationen

Hadronen

q

q

Hadronenleadingparticle

leading particle

Schema der Jet-Produktion

QGP

Vakuum


Hadronen mit großem pt

Preliminary sNN = 200 GeV


Messung von Hadron-Unterdrückung

ddpdT

ddpNdpR

TNN

AA

TAA

TAA /

/)(

2

2

<Nbin>/inelp+p

N+N Wirkungs- querschnitt

1. Vergleich: Au+Au mit N+N Wirkungsquerschnitten2. Vergleich: zentrale mit peripheren Au+Au-Kollisionen

Nuclear Modification Factor:

Ohne zusätzliche Effekte: R < 1 im “Soft Regime” R = 1 bei hohem pT (dominiert durch harte Stöße) mögliche Unterdrückung: R < 1 bei hohem pT


Unterdrückung von Hadronen bei 130 GeVPHENIX: PRL 88 022301 (2002)

und geladene Hadronen, zentrale KollisionenSTAR: nucl-ex/0206011

geladene Hadronen, Zentralitätsabhängigkeit

Klarer Nachweis der Unterdrückung von Hadronen mit hohem pT in zentralen Kern+Kern-Stößen


Preliminary sNN

= 200 GeV

Unterdrückung von Hadronen bei 200 GeV

PHENIX preliminary

200 GeV Daten (vorläufig): Unterdrückung um den Faktor 4-5 bis zu transversalen Impulsen von pT = 12 GeV/c

PHENIX Vergleich peripherer und zentraler Au+Au mit gemessenen p+p

Kollisionen

STAR gel. Hadronen: Verh. zentral/peripher


Jets in Au+Au-Kollisionen

p+p Jet+Jet (STAR @ RHIC)

Au+Au ??? (STAR @ RHIC)


STAR Preliminary Au+Au @ 200 GeV/c, 0-5% zenralste Ereignisse

4 < pt(trig.) < 6 GeV/c, 2 GeV/c < pt(assoz.) < pt(trig.)

Differenz

Statistische Suche nach Jets in Au+Au-Stößen

• Au+Au– Fluss

• p+p und Au+Au- Kollisionen:– Dijets– Impulserhaltung– Jets – Resonanzen kleines

alle

),()(11

)(2 NdefficiencyN

Ctrigger

high-pt trigger

assoz. Teilchen,


Periphere Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss

C2(Au Au) C2(p p) A *(1 2v22 cos(2))

Ansatz: Ein high-pt getriggertes Au+Au-Ereignis setzt sich aus einem high-pt getriggerten p+p-Ereignis und anisotropem Fluss zusammen

v2 aus der Flussanalyse

“A” in der Region ohne Jets (0.75 < || < 2.24) angepasst


Zentrale Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss

C2(Au Au) C2(p p) A *(1 2v22 cos(2))


Jets bei RHIC-Energien

• Der rückwärtsgerichtete Jet fehlt in zentralen Au+Au-Kollisionen im Vergleich zu p+p Daten unter Berücksichtigung von anisotropem Fluss

?

Oberflächenemission?Unterdrückung der back-to-

back Korrelationen in zentralen Au+Au Kollisionen

• Andere Möglichkeiten, das Verschwinden des rückwärtigen Jets zu erklären?

• Untersuchung kT-Effekten im Kern

• experimentell: p+Au or d+Au

• theoretisch: bessere Modellierung von kT-Effekten


Eigenschaften von Kernmaterie bei RHIC-Energien• heiß,

– chemisches Ausfrieren bei 175 MeV– thermisches Ausfrieren bei 100 MeV– Die Ausfriertemperaturen zeigen überraschenderweise keine s-Abhängigkeit.

• schnell,– transversale Expansion mit einer Durschnittsgeschwindigkeit von >0.55 c– hohe Werte von anisotropem Fluss (v2) implizieren hydrodynamische Expansion

und hohen Druck kurz nach der Kollision

• undurchdringlich,– Sättigung von v2 bei hohem pt

– Unterdrückung von high-pt Teilchen im Vergleich zu p+p– Unterdrückung von entgegengerichteten Jets

• und es ist mit einem thermodynamischen Gleichgewicht vereinbar– perfekte Anpassung von thermischen Modellen im Gleichgewicht an gemessene

Teilchenverhältnisse– gute Übereinstimung von hydrodynamischen Modellen an Flussmessungen setzen

Gleichgewicht voraus


Strahlzeiten am RHIC im Jahr 2003

• 29 Wochen d+Au (inkl. Herunterkühlen)– Jets konnten bereits nachgewiesen werden, aber der

genaue Vergleich zu Au+Au steht noch aus

• 8 Wochen pp

• Au+Au-Strahlzeit im Herbst

Weitere interessante Messungen in naher Zukunft ...

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