Tökéletes folyadék a RHIC gyorsítónál Csanád Máté (PhD hallgató, ELTE) Témavezetők: Csörgő Tamás (KFKI RMKI), Roy Lacey (Stony Brook) és Kiss Ádám (ELTE) MTA osztályülés: A fizika fejlődési irányai 2006. május 10.

A részecskék Standard Modellje Elektron elemi részecske Proton, neutron, hadronok nem azok  kvarkok Három kölcsönhatás, közvetítő bozonok Erős, gyenge, elektromágneses töltés Erős töltés: szín  QCD: kvantum-szín-dinamika u up c charm t top d down s strange b bottom ne electron neutrino nm muon neutrino nt tau neutrino e electron m muon tau kvarkok leptonok fermionok g gluon photon Z Z boson W W boson bozonok kölcsönh. erős elektro-mágneses gyenge

Mit, miért és hogyan? Elméleti igény: QCD fázisszerkezete, az ősrobbanáshoz hasonló körülmények vizsgálata A 2004-es fizikai Nobel-díj: QCD aszimptotikusan szabad  nagy hőmérsékleten gáz plazma, kvarkok és gluonok? Az elérhető legnagyobb hőmérséklet: nehézion ütközések! Kísérlet: nehézionok ütköztetése Kísérlet építése: óriási pénzügyi elkötelezettség (1Mrd USD főleg USA és Japán, de az egész világ vezető országai) BNL (USA): 2000-től, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) CERN (Európa): 2007-től, Large Hadron Collider (LHC) Lásd Vesztergombi György: ALICE a TeVek országában

A QCD fázisdiagramja Új halmazállapot(ok?) Hadronok  QCD plazma? Elméleti számítások: Tc=176±3MeV (~2 terakelvin) (hep-ph/0511166) Tc

A Nagy Bumm Korai univerzum: forró, táguló rendszer Kvarkanyag, kvark-gluon plazma Protonok, neutronok kifagyása

Nehézion-ütközések: Kis Bumm Nukleon-olvasztás Kvarkok bezárása ill. kiszabadítása Hasonlat: jégből víz vagy gőz Szárazjég? Vízjég? Nagy energiájú ütközéssel mindez elérhető (?) Nehézionok ütközése: forró, táguló rendszer Elég forró? Régi-új anyag?

Kutatási helyszínek: CERN SPS: Pb+Pb @ Ecms = 17 GeV/nukleon (17 AGeV) h+p, p+p, p+Pb, Pb+Pb ütközések 7+ kísérleti együttműködés: NA44, NA45, NA49, NA50, NA52, NA57, NA60, WA98 KFKI-ELTE részvétel az NA49 kísérletben LHC 2007: főleg p+p fizika; ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM 2008: nehézionfizika program is indul; ALICE, CMS,...

Kutatási helyszínek: BNL RHIC: Au+Au @ Ecms = 200 AGeV Au+Au, Cu+Cu, pp+pp, d+Au ütközések 4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS, STAR Magyar részvétel a PHENIX-ben: KFKI: Csörgő T., Hidas P., Ster A., Sziklai J., Zimányi J., ELTE: Kiss Á., Csanád M., Deák F. DE: Dávid G., Tarján P., Imrek J., Vértesi R., Veszprémi V. Elfogadott fejlesztési programok:

PHENIX Fotonok, elektronok, müonok, hadronok azonosítása A reakció összes szakaszának vizsgálata Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik Hadronok: kifagyáskori állapot

A PHENIX csoport

1. mérföldkő: új jelenség Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerzővel: Ster András

2. mérföldkő: új anyagfajta d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség Nem az Au mag szerkezetmódosulása Au+Au: új anyag PHENIX-Magyarország együttműködés: 10 magyar a PHENIX szerzői listán

Top Story 2005 Amerikai Fizikai Intézet: 2005 lefontosabb eseménye! PHENIX: 3x AIP Top Physics Story RHIC első éveit összegző cikkek: Top Physics Story #1 2005 http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0410003, 153 hivatkozás (2006. május 10.)

A részecskesugarak elnyelődése Nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése: jet-quenching  sűrű, erősen kölcsönható (ragacsos) anyag Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő

Nukleáris modifikáció (PHENIX) Ellentétes függés az ütközés frontálisságától d+Au: Cronin-effektus (részecskék újraszóródnak  növekmény) Au+Au: Új jelenség: elnyelődnek a nagyenergiás részecskék (jetek) Keletkező új anyag: részecskesugarak elnyelése (jet quenching)

Szögeloszlások (STAR) Nagyenergiás részecskesugarak szögkülönbség-eloszlása pedestal and flow subtracted Kifutó irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik Befutó irány: Au+Au-ban elnyelődés, p+p és d+Au-ban nincs A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon

Elliptikus folyás (v2) Ritka gáz esetében v2 nulla Hidrodinamikai viselkedés: v2 > 0 M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. http://arXiv.org/abs/nucl-th/0512078

Kísérleti tapasztalatok összegzése Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék Sikertelen számítások viszkózus modellekkel Siker elhanyagolható viszkozitás mellett Hasonlat Egyszerre kiszabaduló sok rab Kis térrész, „tolongás”, gyakori kölcsönhatások, termalizáció, folyadék-viselkedés! A tökéletes meglepetés: a felfedezett új anyag tökéletes folyadék (nincs viszkozitása és hővezetése)

Elméleti eredmények (hidro) Térfogat 1/8 részében 2.3 terakelvin (2 terakelvin felett olvadás) Kezdeti szakaszban 5 terakelvin Ezen a hőmérsékleten nem gáz, hanem folyadék! v2 spectra v2 spectra Csanád, Csörgő, Ster, nucl-th/0310040, nucl-th/0311102, nucl-th/0403074

Hidrodinamikai kép jelentős sikere Hanbury-Brown és Twiss: kvantumoptika a forrásméret mérésére  HBT sugarak Korai jóslat: nagy asszimetria Buda-Lund hidro: skálaviselkedése, kis asszimetria Hirtelen hadronizáció jóslata Több mint 50 modell képtelen volt leírni (utólag!!) Elsőrendű fázisátalakulás is kizárható Csörgő, Csernai (Phys.Lett.B333:494-499,1994) Csörgő, Lörstad (Phys.Rev.C54:1390-1403,1996)

Univerzális skálázás Buda-Lund hidro: skálafüggvény jóslata (2003) I1/I0 Buda-Lund hidro: skálafüggvény jóslata (2003) PHENIX (2005), PHOBOS (2006) és STAR (2005) adatok egybeesnek Tökéletes folyadékból kapott jóslat TELJESÜL! Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster (Nucl. Phys. A742:80-94,2004) Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster et al. nucl-th/0512078

A skálázás sérülése Hidrodinamikai skálázás sérül  kvark szám skálázás kezdődik Kvarkok folyadéka! (részletes analízis még hátravan) R. Lacey, nucl-ex/0510029 és M. Oldenburg, nucl-ex/0510026 Kvarkanyag 2005 világkonferencia Budapesten

Újabb várható mérföldkövek Az új anyag mélyebb ismerete komoly kísérleti kihívás, de belátható közelségben: Mik hordozzák a szabadsági fokokat? Tömeges kvarkok és gluonok? Királis szimmetria? Állapotegyenlet? Fázisátmenet rendje? Folytonos átmenet (crossover)? Új adatokra, a megértés mélyebb és szélesebb szintjére van szükség (Run-5, Run-6, …) Érdekességek, továbbfejlesztések: Honnan ered a proton spinje? Spin fizika a RHIC–nél Magasabb luminozitás: RHIC II A QCD újabb fázisainak vizsgálata: eRHIC (e+p) CGC: Színes (gluon)üveg kondenzátum

Konklúzió Tökéletes folyadék halmazállapot létrehozása a RHIC Au+Au ütközésekben PHENIX mostantól igazán produktív PHENIX (RHIC) még min. 10 évig meghatározó 2008-tól LHC Pb+Pb, 2009-től eredmények A felfedezések korának kapuja kitárult a magyar diákok és kutatók számára is!

PHENIX összefoglaló, Kvarkanyag ‘05 Visszautasíthatatlan ajánlat!! Az új anyag sűrű Az új anyag megolvasztja és újragenerálja a J/y részecskéket Kísérlet és elmélet vállvetve megmérheti is kiszámolhatja az új anyag tulajdonságait Az új anyag módosítja a jeteket Az anyag erősen csatolt Az új anyag forró

Köszönöm a figyelmet Köszönetnyilvánítás: MTA OTKA Amerikai - Magyar Fulbright Alapítvány NATO CLG program

Kísérletek Gyorsító adatok: körív: 3.8 km cms energia: 19-500 AGeV sebesség: 99.995% c felhasznál: protonok, deutérium, réz és arany atommagok nyalábok: 2 szembemenő nyaláb, mindegyikben ~120 „csomag” luminozitás: 2 x 1026cm-2 s-1 (Au+Au, 106 ns átfedésekkel) előállít: több ezer új részecskét ütközésenként hőmérséklet: trillió K alapanyag: 20 év alatt 1 gramm arany üzemel: 2000-től LHC (CERN) 2007-től körív: 27 km (LEP átalakítva) energia: 14 ATeV (korábban: fix target, SPS: Ecms ~ 17 AGeV Pb+Pb)

Sajtóanyagok http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0410003 128 hivatkozás (2006. február 21)

Sajtóanyagok

A „kifutó” részecskesugár Kísérleti módszer elnyelés közegben Új anyag? Mi lehetne referencia? Kapcsoljuk ki a közeget  d+Au ütközések A „kifutó” részecskesugár nem nyelődik el A „befutó” sugár elnyelődik

How analytic hydro works Self-similar solution: PLB505:64-70,2001 hep-ph/0012127 Hydro equations + EoS Source S(x,p) PRC67:034904,2003 hep-ph/0108067 Phase-space distribution Boltzmann-equation Observables N1(p), C2(p1,p2), v2(p) PRC54:1390-1403,1996 hep-ph/9509213 Scheme works also backwords* *For a certain time-interval

Sensitivity to the EoS cs2 = 2/3 cs2 = 1/3 Different initial conditions, different equation of state but exactly the same hadronic final state possible. (!!) This is an exact, analytic result in hydro( !!)

Buda-Lund hydro 3D expansion, symmetry Local thermal equilibrium Analytic expressions for the observables (no numerical simulations, but formulas) Reproduces known exact hydro solutions (nonrelativistic, Hubble, Bjorken limit) Core-halo picture

Fireball at RHIC  Fireball Sun A useful analogy Fireball at RHIC  Fireball Sun Core  Sun Halo  Solar wind T0,RHIC  T0,SUN  16 million K Tsurface,RHIC  Tsurface,SUN  6000 K RG  Geometrical size t0  Radiation lifetime <bt>  Radial flow of surface (~0) Dh  Longitudinal expansion (~0)

Buda-Lund fit results T0>Tc by 2-5 s, indication for deconfinement in Au+Au and p+p, based on lattice QCD (Tc162MeV) Finite Rs at the freeze-out  not phase transition, crossover No radial flow in p+p  1D Hubble, spectra slope  T0 3D Hubble flow in Au+Au (1/t0  ut’/Rs) CERN SPS also fitted, but T0<Tc there! M.Cs., T.Csörgő, A. Ster, B. Lörstad: Quark Matter 2004, J.Phys.G30: S1079-S1082,2004; nucl-th/0403074 T. Csörgő, M.Cs., B. Lörstad, A. Ster: WWND’04, Submitted to Heavy Ion Physics; hep-ph/0406042

Big Bang vs. Little Bang Developed Hubble-flow at RHIC and in the Universe Universality of the Hubble expansion: un= Hrn Hubble constant of the Universe: H0= (71 ± 7) km/sec/Mpc converted to SI units: H0= (2.3 ± 0.2)×10-18 sec-1 Hubble constant in Au+Au collisions at 200 GeV HRHIC,long = <ut’>/Rs  (3.8 ± 0.4)×1022 sec-1 HRHIC,trans = 1/0  (5.1 ± 0.1)×1022 sec-1 Ratio of expansion rates: HRHIC / H0  2×1040 Really equals approx. the ratio of the ages! 15×109 yrs vs. 7fm/c

Ellipsoidal generalization Axially symmetric case: RG, ut Main axes of expanding ellipsoid: 3D expansion, 3 expansion rates: Introducing momentum-space eccentricity: Hubble type of expansion: Aprroximation: Additionally: M.Cs., T.Csörgő, B. Lörstad: Nucl.Phys.A742:80-94,2004; nucl-th/0310040

‘Friedmann-equation’ of heavy ion physics From the hydro solution of the expanding ellipsoid: This relates to the following Hamiltonian: Direction-dependent Hubble-flow:

The elliptic flow One-particle spectrum: The m-th Fourier component is the m-th flow Depends on pseudorapidity and transverse momentum Pseudorapidity dependence mostly not understood (except see Hama/SPHERIO)

Universal scaling Scale parameter w The perfect fluid extends from very small to very large rapidities at RHIC

Thanks for your attention Spare slides coming …

Nonrelativistic hydrodynamics Equations of nonrelativistic hydro: Not closed, EoS needed: We use the following scaling variable: X, Y and Z are characteristic scales, depend on (proper-) time

A nonrelativistic solution A general group of scale-invariant solutions (hep-ph/0111139): This is a solution, if the scales fulfill:  (s) is arbitrary, e.g.  constant   gaussian, or: Buda-Lund Bondorf-Zimanyi-Garpman

Some numeric results from hydro Propagate the hydro solution in time numerically:

Time dependence Blastwave or Cracow model type of cooling vs Buda-Lund cooling, cs2= 2/3, half freeze-out time see: http://csanad.web.elte.hu/phys/3danim/

A relativistic solution Relativistic hydro: with A general group of solutions (nucl-th/0306004): Overcomes two shortcomings of Bjorken’s solution: Rapidity distribution Transverse flow Hubble flow  lack of acceleration

Társadalmi visszhang Big Bang machine gets down to work MSNBC News, 2000. jún. 14., http://www.msnbc.com/news/314049.asp?cp1=1 The Matter of the Big Bang Times of India, 2000. jún. 25 http://timesofindia.indiatimes.com/cms.dll/html/uncomp/articleshow?msid=31830 'Little' Big Bang stumps scientist CNN, 2002. nov. 20. http://www.cnn.com/2002/TECH/space/11/13/little.bang/ In a Lab on Long Island, a Visit to the Big Bang New York Times, 2003. jan. 14. Scientists Report Hottest, Densest Matter Ever Observed New York Times, 2003. jún. 19. http://www.nytimes.com/2003/06/19/science/19PLAS.html RHIC unveils new results PhysicsWeb, 2003. jún. 19. http://physicsweb.org/article/news/7/6/14

Magyar részvétel Megalakult a PHENIX-Magyarország, 10 magyar a PHENIX cikkeken Debrecen: 1996 óta, Dávid Gábor: ős-PHENIXes Tarján Péter, Vértesi Róbert, Imrek József: sok fiatal diák KFKI RMKI: 1998 óta Columbia University - KFKI RMKI együttműködés, (Gyulassy M., B. Cole, W. A. Zajc) Csörgő Tamás: elméleti fizika felől nyitás a kísérletek felé Ster András: a kísérlet indulása óta részt vesz a mérésekben Speciális feladatok: frontalitás meghatározás (ZDC), korrelációk vizsgálata (HBT), végállapot rekonstrukció Veres Gábor: PHOBOS és MIT Azonosított részecskék analízise, trigger rendszer ELTE: szabad a pálya a magyar diákoknak!

A brookhaveni komplexum

A 4 RHIC kisérlet PHENIX: 13 ország, 62 intézet, 550 fő STAR: 12 ország, 51 intézet, 538 fő PHOBOS: 3 ország, 8 intézet, 116 fő BRAHMS: 8 ország, 14 intézet, 51 fő

PHOBOS Sok ütközés vizsgálata Ritka, szokatlan ütközések keresése: új fizika azonosítása Fázisátmenet: fluktuációk növekedése Veres Gábor (MIT)

STAR Sok részecske nyomon követése Kvark-gluon plazma szignatúráját keresi Hadronok közötti kölcsönhatás vizsgálata Molnár Levente (Purdue University)

BRAHMS Broad RAnge Hadron Magnetic Spectrometer Töltött hadronok vizsgálata Két keskeny szögtartomány Precíz energiamérés