Upload
mercer
View
41
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Прямые фотоны в ядро-ядерных столкновениях от SPS до RHIC. План доклада. Кварк-глюонная плазма и столкновения ядер сверхвысоких энергий. Фотонное излучение из столкновений ядер сверхвысоких энергий. Эксперимент WA98 на ускорителе SPS в ЦЕРН - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
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