Tökéletes folyadék a RHIC gyorsítónál

Az előadások a következő témára: "Tökéletes folyadék a RHIC gyorsítónál"— Előadás másolata:

1 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.

2 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

3 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

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

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

6 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?

7 Kutatási helyszínek: CERN
SPS: 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,...

8 Kutatási helyszínek: BNL
RHIC: 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:

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

10 A PHENIX csoport

11 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

12 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

13 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 153 hivatkozás (2006. május 10.)

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

15 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)

16 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

17 Elliptikus folyás (v2) Ritka gáz esetében v2 nulla
Hidrodinamikai viselkedés: v2 > 0 M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al.

18 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)

19 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/ , nucl-th/ , nucl-th/

20 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: ,1994) Csörgő, Lörstad (Phys.Rev.C54: ,1996)

21 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/

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

23 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

24 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!

25 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

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

27

28 Kísérletek Gyorsító adatok: körív: 3.8 km cms energia: 19-500 AGeV
sebesség: % 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: től LHC (CERN) 2007-től körív: 27 km (LEP átalakítva) energia: 14 ATeV (korábban: fix target, SPS: Ecms ~ 17 AGeV Pb+Pb)

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

30 Sajtóanyagok

31 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

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

33 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( !!)

34 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

35 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)

36 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  D 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/ T. Csörgő, M.Cs., B. Lörstad, A. Ster: WWND’04, Submitted to Heavy Ion Physics; hep-ph/

37 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

38 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/

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

40 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)

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

42 Thanks for your attention
Spare slides coming …

43 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

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

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

46 Time dependence Blastwave or Cracow model type of cooling vs Buda-Lund cooling, cs2= 2/3, half freeze-out time see:

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

48 Társadalmi visszhang Big Bang machine gets down to work
MSNBC News, jún. 14., The Matter of the Big Bang Times of India, jún. 25 'Little' Big Bang stumps scientist CNN, nov. 20. In a Lab on Long Island, a Visit to the Big Bang New York Times, jan. 14. Scientists Report Hottest, Densest Matter Ever Observed New York Times, jún RHIC unveils new results PhysicsWeb, jún. 19.

49 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!

50 A brookhaveni komplexum

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

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

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

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