Прямые фотоны в ядро-ядерных столкновениях от SPS до RHIC

LINC-2005

Прямые фотоны в ядро-ядерных столкновениях от SPS до RHIC.

LINC-2005

Кварк-глюонная плазма и столкновения ядер сверхвысоких энергий. Фотонное излучение из столкновений ядер сверхвысоких энергий. Эксперимент WA98 на ускорителе SPS в ЦЕРН Прямые фотоны в столкновениях Pb-Pb при энергии s = 17 ГэВ/NN Бозе-Эйнштейновские корреляции прямых фотонов. Эксперимент PHENIX на коллайдере RHIC в БНЛ Подавление выходов пионов с высокими поперечными импульсами в столкновениях Au-Au при энергиях s = 130 и 200 ГэВ/NN Прямые фотоны в столкновениях Au-Au при энергии s = 200 ГэВ/NN.

План доклада

LINC-2005

Эволюция столкновения ядер

Pre-equilibrium

Hadronization (Freeze-out)+ Expansion Thermalization QGP phase? Mixed phase

, e+e-, +

Hard processes (early stages): Real and virtual photons, high pT particles.

Soft hadrons reflect medium properties when inelastic collisions stop (chemical freeze-out).

Kpnd,…

LINC-2005

Фотонное излучение из столкновений ядер уникальный инструмент исследования свойств сгустка экстремально возбуждённой материи

Фотоны, рождённые в сгустке в процессе его эволюции, (так называемые прямые фотоны) испытывают только электромагнитное взаимодействие с окружающей горячей плотной материей.

Длина свободного пробега фотона много больше размеров сгустка. После своего рождения прямой фотон покидает сгусток без

перерассеяния и поэтому несёт информацию о состоянии сгустка в момент своего рождения.

Прямые фотоны несут информацию о свойствах сгустка на всех этапах его эволюции, включая самую раннюю фазу максимального разогрева.

LINC-2005

Источники фотонов в столкновениях ядер

Фотоны из A+A взаимодействия

Прямые фотоны Распадные фотоны

Нетепловые Тепловые Излучение жёсткогопартона в среде

Начальныежёсткиевзаимодей-ствия

Предравно-весныефотоны

QGP Адронный газ

pQCD or prompt photons

Взаимодействие жёсткого партона со средой Начальная фаза

Фаза эволюции сгустка

Фаза после разлёта

LINC-2005

Фотонные сигналы

Энергетические спектры прямых фотонов Измерение температуры сгустка, прежде всего начальной температуры

Бозе-Эйнштейновские корреляции (Hunberry-Brown – Twiss) прямых фотонов Измерение пространственно-временных размеров сгустка

LINC-2005

Энергетические спектры фотонов

Decay photons

nT

1

phard:

/ E Tethermal:

LINC-2005

Эксперимент WA98 в ЦЕРН

21 институт • Германия• Голландия• Индия• Польша• Россия РНЦ «Курчатовский Институт» ОИЯИ• США• Швеция• ЦЕРН• Чехия

158 ГэВ/ нуклон Pb-Pb S = 17 ГэВ/NN

LINC-2005

Электромагнитный калориметр LEDA ключевой детектор эксперимента WA98 разработан и создан РНЦ «Курчатовский Институт»

Калориметр LEDA 10080 модулей из свинцового стекла

Свинцовое стекло ТФ14040400 мм3

14.3 радиационных длинФЭУ- 84Индивидуальные высоковольтные источники (Кокрофт-Уолтон)

Площадь: 16м2, Расстояние до мишени: 21.5 м

LINC-2005

Основная цель эксперимента WA98 поиски и исследование сигналов прямых фотонов

Выделение сигналов прямых фотонов на статистической основе Измерение спектров прямых фотонов Измерение инклюзивных спектров фотонов для событий разных классов центральности Измерение инклюзивных спектров 0 и - мезонов для событий тех же классов центральности Расчёт (Монте Карло) инклюзивных спектров фотонов от радиационных распадов 0, - мезонов и других долгоживущих резонансов Спектр прямых фотонов находится как разность измеренных и рассчитанных инклюзивных спектров фотонов

Основная трудность – очень большой, принципиально неустранимый, фон фотонов от распадов долгоживущих резонансов (90% - от распадов 0 – мезонов)

LINC-2005

РНЦ «Курчатовский Институт» в эксперименте WA98 в ЦЕРН

Извлечение сигнала 0 мезона

Метод смешанных событий

Спектр инвариантных масс пар фотонов из одного и того же события Спектр инвариантных масс пар фотонов из разных событий

Сигнал 1%

LINC-2005

Обнаружение прямых фотонов в центральных столкновениях Pb-Pb в эксперименте WA98

WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 3595Сигнал прямых фотонов в инклюзивном спектре фотонов из центральных столкновений Pb-Pb при энергии s = 17 ГэВ/NN

Периферические столкновения Центральные столкновения

Периферическиестолкновения

Центральные столкновения

• Впервые обнаружены прямые фотоны в столкновениях ультрарелятивистских ядер. Для центральных столкновениях Pb-Pb в инклюзивном спектре фотонов наблюдается чёткий сигнал прямых фотонов в интервале поперечных импульсов pT > 1.5 ГэВ/с

LINC-2005

Спектр прямых фотоновWA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 85 (2000)3595

Сигнал тепловых фотонов ?

LINC-2005

Эксперимент WA98Интерферометрия прямых фотонов

WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 022301(2004)

~ 2·10-3Qinv = |p1-p2|

C2(Qinv)=Nreal(Qinv)/Nmix(Qinv)

Корреляционные функции пар фотонов из центральных столкновений Pb-Pb при энергии s = 17ГэВ/NN

C2(Qinv) = A(1 + exp(-R2invQ2

inv))

KT = (1/2)(pT(1) + pT

(2)) KT = (1/2)(pT(1) + pT

(2))

LINC-2005

C2(Qinv) =1 + /(4) ∫ do exp{ - Qinv2 (Rs

2 sin2 sin2 + Rl2 sin2 cos2 )

- (Qinv2 + 4KT

2)cos2 Ro2 }

Эксперимент WA98Инвариантные радиусы

WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 022301(2004)

R Rlong

Rside

Rinv = f(Rs,Rl)

inv = Erf(2KTRo)

2KTRo

(for massless particles!)

Pion correlation radii:WA98collaboration,Phys. Rev. C67 (2003) 014906.

LINC-2005

Спектр прямых фотоновWA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 022301(2004)

Subtraction method,upper limit

Correlation method:

Subtraction method

Predictions

hadronic gasQGP

sumpQCD

Predictions:S. Turbide, R. Rapp, and C. Gale, Phys. Rev. C 69(014902), 2004.

Ndir = Ntotal √2

inv = Erf(2KTRo)

2KTRo

Most probable yield (Ro=6 fm)The lowest yield (Ro=0)

Tin ~ 250 MeV

LINC-2005

RHIC: Relativistic Heavy Ion Collider

окружность: 3,83 км

2 независимых кольца

6 пересечений, 4 эксперимента:

Максимальная энергия в нуклон-нуклонной системе центра масс

200 ГэВ для Au-Au

500 ГэВ для p+p

Пучки:

Au+Au, sNN

=200 GeV, sNN = 130 GeV, sNN = 19.6 GeV

p+p, sNN

= 200 GeV

d+Au sNN

= 200 GeV

LINC-2005

Two central arms for measuring hadrons, photons and electrons

Two forward arms for measuring muons

Event characterization detectors in middle

Эксперимент PHENIXPioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment

LINC-2005

12 стран, 57 институтов

LINC-2005

Электромагнитный калориметр эксперимента PHENIX

PbGl (LEDA)• 9216 модулей из свинцового стекла ТФ1 с фотоумножителями ФЭУ-84• Размеры модуля: 4 см x 4 см x 40 смPbSc

• 15552 модулей свиней-сцинтилляторс фотоумножителями ФЭУ-115М• Размеры модуля: 5.5 cm x 5.5 cm x 37 cm

Сравнение результатов, полученных двумя разными технологиями - очень важно для оценок систематических ошибок.

Калориметр LEDA по завершении измерений в эксперименте WA98 в ЦЕРН стал одним из ключевых детекторов эксперимента PHENIX

LINC-2005

Обнаружение подавления выходов 0 – мезонов в центральных столкновениях Au-Au

PHENIX Collaboration, Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 022301

Первое наблюдение сильного подавления выхода нейтральных пионов с высокими поперечными импульсами в центральных столкновениях Au-Au. PRL 88 (2002) 022301

PHENIX

q

q

q

q

Подавление выходов адронов с высокими импульсами, вызванное явлением гашения струй в горячей плотной среде.X. N. Wang and M. Gyulassy, Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 1480

Гашение струй=QGP или эффекты начальной фазы ??

LINC-2005

Обнаружение прямых фотонов в столкновениях Au+Au

при энергии s = 200 ГэВ/NN

Сигналы прямых фотонов для разных классов центральности: (/0)meas(/0)back vs pT

Выходы прямых фотонов для разных классов центральности

RAA(pT> 6.0 GeV/c) в зависимости от класса центральности

0

Для получения тепловых фотонов необходимо уменьшить систематическую ошибку

LINC-2005

Предсказания по выходу прямых фотонов для эксперимента PHENIX

D.d'Enterria and D.Peressounko,nucl-th/0503054

LINC-2005

Заключение

Исследования свойств экстремально возбуждённой материи в столкновениях ядер сверхвысоких энергий представляют собой одно из ключевых направлений программы фундаментальных исследований Российского научного центра «Курчатовский Инстиут».

Эти исследования базируются на уникальных ускорительных установках Европейской Организации Ядерных Исседований (ЦЕРН) и Брукхейвенской национальной лаборатории в США в рамках международных мегапроектов.

LINC-2005

Результаты эксперимента WA98 на ускорителе SPS в ЦЕРН

PRL 85 (2000)3595, PRL 93(2004)022301 Впервые обнаружены сигналы излучения прямых фотонов в столкновениях ядер сверхвысоких энергий. В инклюзивных спектрах фотонов, испускаемых в центральных столкновениях Pb-Pb при энергии s = 17 GeV/NN

В распределениях пар фотонов, испускаемых в центральных столкновениях Pb-Pb при энергии s = 17 GeV/NN, по их относительному 4-импульсу (корреляции Ханбери-Брауна и Твисса)

Впервые получена оценка начальной температуры термализованного сгустка, образующегося в результате столкновения, ~ 250 МэВ.

LINC-2005

Результаты эксперимента PHENIX на коллайдере RHIC в БНЛ

Получены выходы прямых фотонов в реакции Au + Au.

Для Pt > 3 ГэВ выход фотонов совпадает с рQCD теорией (бинарный скейлинг ~ 1)

Сигнал от тепловых фотонов пока не наблюдался. Требуется дополнительный анализ с целью улучшения точности.

LINC-2005

BACKUP SLIDES

LINC-2005

Сравнение теории с данными эксперимента PHENIX

Calculations with similar initial time (temperature) result in similar spectra.Dependence on used emission rates and details of description of evolution is modest.

All calculations predict considerable thermal contribution below 3 GeV

All calculations agree withdata within errors.

LINC-2005

Классы центральности

• Centrality selection : Sum of Beam-Beam Counter (BBC, ||=3~4) and energy of Zero-degree calorimeter (ZDC) • Extracted Ncoll and Npart based on Glauber model.

Spectators

Participants

0-5%

5-10%

10-15%

South Blick von der Seite North

BB

MuTr

MuID MuID

ZDC NorthZDC South

MVD

Central Magnet

Peripheral Central

LINC-2005

()measured / ()simulated : Peripheral

PbGl and PbSc consistent with no excess in peripheral

LINC-2005

()measured / ()simulated : Central

No photon excess seen within errorsWorking on better understanding of systematics

1 systematic errors

LINC-2005

Why Photon (p+p) ?• Photon in p+p is a good probe for

the parton structure.• Leading process• Higher order• Bremsstrahlung Process

• Why RHIC?– RHIC provides the highest energy as

p+p collisions.• Very unique• As a basic for gluon spin

measurement in the future.• A reference for d+Au and Au+Au.

+Higher Order

et.al.

annihillation

compton

Photon in p+p is

a testing ground of pQCD

LINC-2005

Why Photon (Au+Au)?• Photon source

– pQCD photons• Compton

• Annihilation

• Bremsstrahlung

– Photons from jet quenching

– Thermal photons• From hadron GAS

• From QGP

PRC69(2004)014903, Turbide, Rapp, Gale

Realistic Calculation

Thermal photon is a good probe for QGP temperature

Target 1-3GeV

LINC-2005

Conclusion• p+p collisions– NLO pQCD calculation can describe our data

• Sum of direct part and fragmentation part.

– Fit in xT scaling with other experiment

• d+Au collisions– comparison with NLO-pQCD

• Result in d+Au collisions is consistent with the binary-scaled NLO-pQCD calculation.

– Nuclear Modification Factor• Consistent with 1 No modification within the errors• Prompt photon production in d+Au can be described as binary

scaling • Result is consistent with 0

LINC-2005

Strategy of Isolation Method

1.0)5.0(

5.022

ERE

R

sum

R E

What is the efficiency by this cut for signal 1)&2)Next slide

Isolation cut to reduce background

(2)Signal(fragmentation) (3)Background(hadron decay)(1)Signal(direct)

compton + annihilation

約 30%@10GeV 約 10%@10GeV 約 60%@10GeV

hadronphot

on

jet

phot

on

LINC-2005

Conclusion• Au+Au collisions.

– High pT photon• Binary Scaling and pQCD calculation

– Consistent with 1• No modification within the errors• Support jet quenching scenario observed as pion suppression

– No thermal photon signal yet.• We’re analyzing the run4 Au+Au data. Plan to have the preliminary

result.

LINC-2005

Result

• Two methods– Subtraction method– isolation method

• To be smaller by 20-40%

• They are not different as we expected from pQCD calculation

Rjection for fragmentation photonIs not perfect

orMost of measured photon are

From direct process(compton, annihilation, or NLO)

LINC-2005

PbGl EM Calorimeter

PbGlSize(cm x cm) 4.0 x 4.0

Depth(cm) 40Number of towers 9216Sampling fraction 100%

cov. 0.7 cov. 45deg/ mod 0.008 / mod 0.008

X0 14.4Molière Radius 3.68cm

Lead Glass calorimeterLead Glass 40x40x400mmused at WA98 exp.

4x6 towers = 1 super module15*12 super module = 1 sector

PbGl sector 2.1m x 3.9m

LINC-2005

PbSc EM Calorimeter

PbSc

Size(cm x cm) 5.52 x 5.52

Depth(cm) 37.5

Number of towers 15552

Sampling fraction ~ 20% cov. 0.7 cov. 90+45deg/ mod 0.011 / mod 0.011

X0 18

Molière Radius ~ 3cm

Sandwich type calorimeterLead plates 55.2x55.2x1.5mmScintillator plates 110.4x110.4x4mm

Shish-kebab geometry wave shifter fiber readout6x6 fibers 1 PMT = 1 tower2 x 2 towers = 1 module6 x 6 module = 1 super module6 x 3 super module = 1 sector

PbSc sector 2.0m x 4.0m

LINC-2005

Analysis Procedure (I)

1. Start with all photons

2. in a given pT bin

3. -Tagging: Determine number of photons

in this bin which form inv. mass in range with any other hit

Subtract combinatorial background

4. Correct for tagging efficiency and contribution from , , ’

5.

allN

direct all decayN N Ng = -

decayN

0 0

decay decay,tagged tagging/N Np p e=0

decay decayN a Np= ×

Tagging efficiency from Monte Carlo simulation

Contribution from ,,’,…

0

decayNp0

decay, taggedNp

Nall: Number of inclusive in a given pT bin

LINC-2005

Isolation Cut (I)

• Isolation cut should remove contribution from bremsstrahlung

• Difficult to determine the efficiency of the isolation cut

2 2 0.5

( 0.5) 0.1sum

R

E R Eg

h f= D +D <

< < ´

R EIsolation cut

in this analysis

dir

ect

bre

ms.

NLO pQCD calculation by W. Vogelsang (p+p at s=200 GeV)

LINC-2005

Why Direct Photons? (II)

• A+A collisions

– Photons don’t strongly interact with fireball

– Carry information about early stage of collision

– QGP potentially detectable via thermal photon radiation

– Thermal photons dominantly from early, hot QGP phase: initial temperature

– Direct Photons at high pT

• Allow test of Ncoll scaling for hard processes

• Important for interpretation of high-pT hadron suppression at RHIC

LINC-2005

Realistic Calculation

• Window for thermal photons from QGP in this calculation:pT = 1 - 3 GeV/c

Turbide, Rapp, Gale, Phys. Rev. C 69 (014903), 2004

LINC-2005

Measurement of Direct Photons• Get clean inclusive-photon sample

– e.g. subtraction of charged particle background

• Measure pT spectrum of and mesons with high accuracy

• Calculate number of decay photons per

– Usually with Monte-Carlo– mT scaling for ’, , …

• Finally:Subtract decay background from inclusive photon spectrum

T

T T

decay

d1

d

20.28 at RHIC

1

nN

pp p

n

Handy formula:

direct inclusive decay" = - "

LINC-2005

Cancellation of Systematic Errors

×decaydirect inclusive decay inclusive

inclusive

= - = (1 - )

×decaydirect inclusive decay inclusive

inclusive

= - = (1 - )

× inclusive= (1 - 1/ ) R

)

)inclusive meas

decay calc

with =

R

Systematic errors (e.g. energy scale non-linearity)partially cancel in this ratio

LINC-2005

Direct Photon Production in p+p: Hard Scattering

• Processes in perturbative QCD

– Compton:

– Annihilation:

– Bremsstrahlung

• Typically 20-30% uncertainty in pQCD calculations related to choice of scales

LOq + q + g

q + g + q

Compton

Annihilation

Bremsstrahlung