Ideális kvarkfolyadék a RHIC-nél Mérföldkövek a kvarkanyag kutatásában a PHENIX kísérletnél Csanád Máté, ELTE TTK Atomfizikai Tanszék ELFT Vándorgyűlés.

Az előadások a következő témára: "Ideális kvarkfolyadék a RHIC-nél Mérföldkövek a kvarkanyag kutatásában a PHENIX kísérletnél Csanád Máté, ELTE TTK Atomfizikai Tanszék ELFT Vándorgyűlés."— Előadás másolata:

1 Ideális kvarkfolyadék a RHIC-nél Mérföldkövek a kvarkanyag kutatásában a PHENIX kísérletnél Csanád Máté, ELTE TTK Atomfizikai Tanszék ELFT Vándorgyűlés Eger, 2007. augusztus 23.

2 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 2 Relativistic Heavy Ion Collider RHIC: Relativisztikus nehézion ütköztető RHIC: Relativisztikus nehézion ütköztető ─ Au+Au, Cu+Cu, p  +p , d+Au ütközések ─ 4 kísérleti együttműködés: BRAHMS, PHENIX, PHOBOS (Veres Gábor), STAR Magyar intézményi részvétel a PHENIX-ben: Magyar intézményi részvétel a PHENIX-ben: ─ KFKI: Csörgő T., Hidas P., Ster A., Sziklai J., Zimányi J. ─ ELTE: Kiss Á., Csanád M., Nagy M., Deák F. ─ DE: Dávid G., Tarján P., Imrek J., Vértesi R., Veszprémi V. Elindított fejlesztési programok:

3 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 3 Rövid áttekintés Sokmódusú gyorsító Sokmódusú gyorsító ─ 22 GeV (Au, Cu, p  ) ─ 56 GeV (Au) ─ 62 GeV (Au, Cu, p  ─ 130 GeV (Au) ─ 200 GeV (Au, Cu, d, p  ) ─ 410 GeV (p  ) ─ 500 GeV (p  ) Tudomány Tudomány ─ >160 referált cikk, több mint 90 a Phys. Rev. Lettersben ─ Jelentős felfedezések discoveries A jövő: e-RHIC és RHIC II A jövő: e-RHIC és RHIC II ─ Azonosított kulcskérdések ─ A gyorsító és a kísérletek továbbfejlesztése biztosítva

4 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 4 A PHENIX csoport

5 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 5 1. mérföldkő: új jelenség Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerzővel: Ster András Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerzővel: Ster András

6 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 6 A részecskesugarak elnyelődése Nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése: Nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése: jet-quenching  sűrű, erősen kölcsönható (ragacsos) anyag Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő

7 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 7 2. mérföldkő: új anyagfajta d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség Nem az Au mag szerkezetmódosulása Nem az Au mag szerkezetmódosulása Au+Au: új anyag Au+Au: új anyag PHENIX-Magyarország: 10 szerző PHENIX-Magyarország: 10 szerző

8 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 8 Skálázási előrejelzések Kollektív, termális viselkedés → Kollektív, termális viselkedés → Információvesztés, skálázás Mit jelent ez? Mit jelent ez? ─ Hubble törvény vagy akár Newton ─ Cannot predict acceleration or height Transzverz spektrumok: Transzverz spektrumok: Elliptikus folyás: Elliptikus folyás: Korrelációs sugarak: Korrelációs sugarak:

9 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 9 3. mérföldkő: elliptikus folyás Elliptikus folyás (v 2 ): kollektív mozgás Elliptikus folyás (v 2 ): kollektív mozgás Ritka gáz esetében v 2 nulla Ritka gáz esetében v 2 nulla Hidrodinamikai viselkedés: v 2 > 0 Hidrodinamikai viselkedés: v 2 > 0 M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. nucl-th/0512078

10 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 10 Hidrodinamikai skálázás Buda-Lund hydro : prediction of scale function (2003) Buda-Lund hydro : prediction of scale function (2003) PHENIX (2005), PHOBOS (2006) and STAR (2005) data do collapse PHENIX (2005), PHOBOS (2006) and STAR (2005) data do collapse Prediction based on perfect hydro is VALID Prediction based on perfect hydro is VALID Csörgő, Akkelin, Hama, Lukács, Sinyukov (Phys. Rev. C67, 034904, 2003) Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster (Nucl. Phys. A742:80-94,2004) Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster et al. nucl-th/0512078

11 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 11 Top Story 2005 Az Amerikai Fizikai Intézet szerint 2005 legfontosabb eseménye a kvarkfolyadék felfedezése

12 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 12 4. mérföldkő: kvarkok folyadéka Az elliptikus folyás hidrodinamikai változóban a kvarkszámmal skáláz! Az elliptikus folyás hidrodinamikai változóban a kvarkszámmal skáláz! Szabadsági fokok: kvarkok Szabadsági fokok: kvarkok PHENIX Collaboration, nucl-ex/0608033

13 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 13 Kísérleti tapasztalatok összegzése Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék ─ Sikertelen számítások viszkózus modellekkel ─ Siker elhanyagolható viszkozitás mellett Hasonlat (Bill Zajc, Scientific American): Hasonlat (Bill Zajc, Scientific American): ─ Egyszerre kiszabaduló sok rab ─ Kis térrész, „tolongás”, gyakori kölcsönhatások, termalizáció, folyadék-viselkedés! Kvarkok ideális folyadéka Kvarkok ideális folyadéka ─ Nincs viszkozitása és hővezetése ─ Szabadsági fokok: kvarkok

14 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 14 Néhány további részlet Mach-kúpok észlelése Mach-kúpok észlelése d, Φ és D részecskék is „folynak” d, Φ és D részecskék is „folynak” Semleges pionok elnyomva, fotonok nem Semleges pionok elnyomva, fotonok nem Királis dinamika: ρ és η’ tömegmódosulás Királis dinamika: ρ és η’ tömegmódosulás Cross-over fázisátmenet helyett Cross-over fázisátmenet helyett PHENIX Collaboration, various papers

15 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 15 Jövő, célok A kvarkanyag természetének feltérképezése A kvarkanyag természetének feltérképezése ─ Új adatok analízise ─ Új elméleti jóslatok tesztelése ─ Nagyobb luminozitás (RHIC II) Felfedező utak a QCD fázisdiagramján Felfedező utak a QCD fázisdiagramján ─ Nagyobb energiák vizsgálata ─ A kritikus pont keresése (alacsonyabb energiák) ─ Új ütköztető rendszerek vizsgálata (e-RHIC) Kolumbusz éppen megérkezett az Új Világba Kolumbusz éppen megérkezett az Új Világba

16 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 16 Konklúzió Tökéletes kvarkfolyadék létrehozása a RHIC Au+Au ütközésekben Tökéletes kvarkfolyadék létrehozása a RHIC Au+Au ütközésekben PHENIX mostantól igazán produktív PHENIX mostantól igazán produktív ─ 11 legutóbbi Phys. Rev. Lett.: 41 cikk (átlagban négy!) PHENIX (RHIC) még min. 5 évig meghatározó PHENIX (RHIC) még min. 5 évig meghatározó Fejlesztések utána: e-RHIC és RHIC II Fejlesztések utána: e-RHIC és RHIC II Intézményi tagság, szavazati jog Intézményi tagság, szavazati jog PHENIX

17 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 17 Köszönöm a figyelmet GázFolyadék

18 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 18 „Új természeti törvények felfedezése” „Általában az alábbi módon keressük az új természeti törvényeket. Első lépésben felteszünk egy elméletet. Aztán megvizsgáljuk a feltételezésünk következményeit, hogy lássuk, mit jelentene, ha az elméletünk igaz lenne. Majd a számítások eredményeit összehasonlítjuk a Természettel, közvetlenül a megfigyelésekkel, kísérlet vagy tapasztalat által, hogy lássuk, működik-e. Ha ellentmond a kísérleteknek, akkor hibás az elméletünk. Ebben az egyszerű állításban van a tudomány kulcsa. Nem számít, milyen szép az elméletünk, nem számít, milyen okosak vagyunk, hogy ki találta ki az elméletet, hogy őt hogy hívják —ha ellentmond a kísérleteknek, akkor hibás.” /R.P. Feynman/

19 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 19 Basic ideas Basic ideas ─ Don’t equate viscous with sticky (jet suppression) ─ Think instead of a not-quite-ideal fluid: “not-quite-ideal” = “supports a shear stress” Viscosity  defined as: Viscosity  defined as: Estimate: Estimate: ─ Small viscosity  Large cross sections ─ Large cross sections  strong couplings ─ Strong couplings  perturbation theory difficult Viscosity Primer

20 Csanád Máté, ELFT’07, Eger Viscosity estimates Lower bound on viscosity:Lower bound on viscosity: ─ hep-th/9711200, gr-qc/0602037, hep-th/0405231 Results on h/sResults on h/s ─ R. Lacey et al., nucl-ex/0609025 ─ H.-J. Drescher et al., arx:0704.3553 ─ S. Gavin, M. Abdel-Aziz, nucl-th/0606061 ─ A. Adare et al., nucl-ex/0611018

21 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 21 Phase diagram of QCD New states of matter (?) New states of matter (?) Hadrons  QCD plasma? Hadrons  QCD plasma? Lattice QCD: critical temperatures around 176MeV (see Z. Fodor’s talk) Lattice QCD: critical temperatures around 176MeV (see Z. Fodor’s talk)(hep-ph/0511166) TcTc

22 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 22 A Nagy Bumm Korai univerzum: forró, táguló rendszer Korai univerzum: forró, táguló rendszer Kvarkanyag, kvark- gluon plazma Kvarkanyag, kvark- gluon plazma Protonok, neutronok kifagyása Protonok, neutronok kifagyása

23 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 23 PHENIX Fotonok, elektronok, müonok, hadronok azonosítása Fotonok, elektronok, müonok, hadronok azonosítása A reakció összes szakaszának vizsgálata A reakció összes szakaszának vizsgálata Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik Hadronok: kifagyáskori állapot Hadronok: kifagyáskori állapot

24 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 24 Az új anyag megolvasztja és újragenerálja a ritka részecskéket PHENIX összefoglaló, Kvarkanyag ‘05 Az új anyag sűrű Az anyag erősen csatolt Az új anyag forró Az új anyag módosítja a nagyenergiás részecskenyalábokat Kísérlet és elmélet vállvetve megmérheti is kiszámolhatja az új anyag, új kölcsönhatás tulajdonságait Visszautasíthatatlan ajánlat!!

25 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 25 Nukleáris modifikáció (PHENIX) Ellentétes függés az ütközés frontálisságától 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) Keletkező új anyag: részecskesugarak elnyelése (jet quenching)

26 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 26 Szögeloszlások (STAR) Kifutó irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik Kifutó irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik Befutó irány: Au+Au-ban elnyelődés, p+p és d+Au-ban nincs 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 A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon pedestal and flow subtracted Nagyenergiás részecskesugarak szögkülönbség-eloszlása Nagyenergiás részecskesugarak szögkülönbség-eloszlása

27 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 27 Mach cone? Mach cone? Jets travel faster than the speed of sound in the medium. While depositing energy via gluon radiation.  QCD “sonic boom” (?) F To be expected in a dense fluid which is strongly-coupled Fluid Effects on Jets ?

28 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 28 The (Assumed) Connection Exploit Maldacena’s “D-dimensional strongly coupled gauge theory  (D+1)-dimensional stringy gravity” Exploit Maldacena’s “D-dimensional strongly coupled gauge theory  (D+1)-dimensional stringy gravity” Thermalize with massive black brane Thermalize with massive black brane Calculate viscosity  = “Area”/16  G Calculate viscosity  = “Area”/16  G Normalize by entropy (density) s = “Area” / 4G Normalize by entropy (density) s = “Area” / 4G Dividing out the infinite “areas” : Dividing out the infinite “areas” : Conjectured to be a lower bound “ for all relativistic quantum field theories at finite temperature and zero chemical potential ”. Conjectured to be a lower bound “ for all relativistic quantum field theories at finite temperature and zero chemical potential ”. See “ Viscosity in strongly interacting quantum field theories from black hole physics ”, P. Kovtun, D.T. Son, A.O. Starinets, Phys.Rev.Lett.94:111601, 2005, hep-th/0405231 See “ Viscosity in strongly interacting quantum field theories from black hole physics ”, P. Kovtun, D.T. Son, A.O. Starinets, Phys.Rev.Lett.94:111601, 2005, hep-th/0405231hep-th/0405231 Infinite “Area” ! hmn Am An

29 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 29 New Dimensions in RHIC Physics “ The stress tensor of a quark moving through N =4 thermal plasma ”, J.J. Friess et al., hep-th/0607022 “ The stress tensor of a quark moving through N =4 thermal plasma ”, J.J. Friess et al., hep-th/0607022 Our 4-d world String theorist’s 5+5-d world The stuff formerly known as QGP Heavy quark moving through the medium Energy loss from string drag Jet modifications from wake field

30 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 30 Chiral symmetry restoration? Prediction:  ’ mass reduction in hot and dense matter due to U A (1) symmetry restoration Prediction:  ’ mass reduction in hot and dense matter due to U A (1) symmetry restoration Idea: measure (m t ) dependence at low momenta Idea: measure (m t ) dependence at low momenta Kapusta, Kharzeev, McLerran Phys.Rev.D53:5028-5033,1996 Z. Huang, X-N. Wang Phys.Rev.D53:5034,1996 Vance, Csörgő Kharzeev Phys.Rev.Lett.81:2205-2208,1998 T. Hatsuda, T. Kunihiro Phys. Rept. 247:221,1994 NA44, S+Pb

31 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 31 Why the  (m t ) dependence Prediction: In hot and dense matter  ’ mass reduction  Enhanced  ’ content Decay:  ’  +  + +  -  (  0 +  + +  − )+  + +  − Long lifetime Average p t of  ’s 138 MeV  More non-interacting  ’s at 138 MeV (m t ) measures fraction of interacting  ’s (m t ) measures fraction of interacting  ’s A hole in (m t ) PHENIX FINAL DATA Au+Au 200 GeV S. S. Adler et al., PRL93,152302(2004) (m t ) measures fraction of strongly coupled  ’s (m t ) measures fraction of strongly coupled  ’s

32 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 32 Analysis of new, low p t data U A (1) restoration tested with three type of (m t ) measurements U A (1) restoration tested with three type of (m t ) measurements ─ Results critically dependent on understanding of statistical and systematic errors ─ Additional analysis required for definitive statement PHENIX PRELIMINARY M. Csanád for the PHENIX Collaboration, Quark Matter 2005, Budapest nucl-ex/0509042

33 Csanád Máté, ELFT’07, Eger 33 What kind of transition? Basic observables in second order phase transitions: critical exponents Basic observables in second order phase transitions: critical exponents Spatial distribution of the order parameter:  Spatial distribution of the order parameter:  Equals to the Lévy-stability index of two-particle correlations  Equals to the Lévy-stability index of two-particle correlations  ─  =  Csörgő et. al., nucl-th/0512060 Universality class of QCD = that of 3d Ising models Universality class of QCD = that of 3d Ising models ─ Here  =0.03±0.01, but in more realistic random field Ising models:  = 0.50±0.05 (Wilczek and Rajagopal, hep-ph/9210253) Analysis of PHENIX Analysis of PHENIX Au+Au data:  =1.4±0.1 Second order phase Second order phase transition closed out (preliminarily) nucl-ex/0509042