Alla scoperta del plasma di quark e gluoni Che cos è ? Dove si trova ? Perchè è interessante ? Si...
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Alla scoperta del plasma di quark e gluoni Che cos è ? Dove si trova ? Perchè è interessante ? Si può produrre ? Come si può osservare ? E. Scomparin INFN-Torino
Alla scoperta del plasma di quark e gluoni Che cos ? Dove si
trova ? Perch interessante ? Si pu produrre ? Come si pu osservare
? E. Scomparin INFN-Torino 10 fm 1 fm
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I quark Per quel che ne sappiamo oggi, s ! Ne esistono con 6
sapori diversi Non tutti sono ingredienti del QGP Protone (p): uud
Neutrone (n): udd Importante! Esistono anche gli antiquark
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I gluoni Le particelle elementari sono soggette alle 4
interazioni fondamentali In particolare i quark sono soggetti
allinterazione forte Sappiamo che linterazione forte mediata da
particelle dette gluoni
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Come interagiscono i quark e i gluoni ? Per capirlo partiamo
dallinterazione elettromagnetica Particelle cariche si attraggono
(respingono) La forza dellinterazione decresce allallontanarsi
delle particelle (come il quadrato della distanza fra esse) e-e-
e+e+
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Come interagiscono i quark e i gluoni ? Per linterazione forte
avviene un fenomeno completamente diverso ! La forza che tiene
insieme i quark, dovuta allo scambio di gluoni, cresce con la
distanza qq Per quanti sforzisi facciano non si riescono a liberare
i quark Nessuno ha mai osservato un quark libero Tutte le
particelle note sono fatte di: 3 quark o antiquark (barioni) una
coppia quark antiquark (mesoni)
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I quark e i gluoni sono colorati Interazione e.m. particelle
con carica elettrica Ogni tipo di quark pu esistere in 3 colori
diversi Esistono 8 gluoni diversi (portano colore e anticolore) Le
particelle che misuriamo (barioni, mesoni) sono di colore neutro
Interazione forte particelle con carica di colore (anticolore) + +
=+ =
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Cosa accade se si cerca di separare due quarks? Se uno dei
quark di un adrone viene allontanato dai suoi compagni, il campo di
forza di colore "si allunga" (come un elastico) per mantenere il
legame. L'energia del campo di forza di colore cresce quanto pi
vengono allontanati i quark tra loro. A un certo punto, pi
economico, dal punto di vista energetico, che il campo di forza di
colore si spezzi e liberi energia che si converta nella massa di
due nuovi quark Al posto dell'adrone di partenza col campo
"allungato", possono formarsi due nuovi adroni, e il campo di forza
pu "rilassarsi".
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Il plasma di quark e gluoni La forza che tiene insieme i quark
cresce con la distanza, ma a distanze piccole diventa relativamente
debole Se riusciamo a mettere molto vicini un gran numero di quark
e gluoni otterremo una zona in cui quark e gluoni possono circolare
liberamente, contrariamente a quello che fanno di solito Ovvero
avremo un gas di quark e gluoni colorati: Il quark-gluon plasma
!
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Come fare in pratica ? Occorre indurre una transizione di fase
verso il plasma Come? Applicando calore e/o pressione Lanalogia
dell acqua Pressione: occorre comprimere il sistema in modo da
portare quark e gluoni cos vicini da far s che le loro interazioni
diventino sufficientemente deboli Temperatura: creare quark e
gluoni con una agitazione termica che gli permetta di scappare
dallinterazione forte
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Esiste da qualche parte il QGP ? Allinizio dei tempi, subito
dopo il Big Bang Rapida espansione/raffreddamento Dopo circa 1s
Transizione di fase Appaiono le particelle che conosciamo Molto
lontano nel tempo (15.000.000.000 anni)
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Esiste da qualche parte il QGP ? Esistono delle stelle che,
alla fine della loro vita, collassano in oggetti piccoli (~10 km)
ed estremamente densi, le stelle di neutroni La pressione cos alta
che probabilmente al loro interno si trovano zone in cui presente
il QGP Ipotesi affascinante ma difficile da verificare From NASA
press release 02-65 April 10, 2002 .Chandra's observations of RX
J1856.5-3754 and 3C58 suggest that the matter in these stars is
even denser than nuclear matter found on Earth. This raises the
possibility these stars are composed of pure quarks or contain
crystals of sub-nuclear particles that normally have only a
fleeting existence following high-energy collisions.
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Possiamo creare il QGP? Se fossimo capaci di creare in
laboratorio una certa quantit di QGP potremmo: Capire meglio
luniverso delle origini e come si sono formate le particelle che
riempiono luniverso Capire meglio come funziona il meccanismo del
confinamento dei quark che alla base della struttura dei protoni e
dei neutroni che formano la materia ordinaria Possiamo usare gli
acceleratori ! Scegliamo nuclei pesanti (molti protoni e neutroni
molti quark e gluoni) Acceleriamoli a velocit relativistiche e
facciamoli collidere Possiamo creare una zona calda e densa nella
quale riproduciamo i valori di temperatura necessari per formare il
QGP Qual la temperatura necessaria ? Almeno 1.000.000.000.000
(mille miliardi) o C Pi di 10.000 volte la temperatura al centro
del Sole
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Dove si pu creare il QGP ? AGS : 1986 - 2000 Si and Au beams ;
up to 14.6 A GeV only hadronic variables RHIC : 2000 - ? Au beams ;
up to s = 200 GeV 4 experiments SPS : 1986 - 2003 O, S and Pb beams
; up to 200 A GeV hadrons, photons and dileptons LHC : 2007 - ? Pb
beams ; up to s = 5.5 TeV ALICE and CMS experiments
Cosa accade ? Lo studio sperimentale delle interazioni di
nuclei pesanti molto complesso. Perch ?
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Problemi Uninterazione PbPb allenergia di LHC produce migliaia
di particelle Notevoli difficolt tecniche per
progetto/realizzazione rivelatori Le particelle che vediamonei
nostri rivelatori NON SONO i quark e i gluoni del Quark-Gluon
Plasma. Il QGP ha vita effimera (10 -21 s !). lespansione e il
raffreddamento fanno s che si abbia una transizione verso
particelle ordinarie (non colorate), che, dopo una fase
relaativamente pi lunga di interazioni reciproche, volano verso i
rivelatori Tecnici Concettuali
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distance time Au Expansion p K QGP e Hadronization jetjet c, b
Pre-eqilibrium Storia di una collisione
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Quali sono le particelle pi interessanti ? Quelle che sono
state prodotte nei primi istanti Hanno visto il QGP ! Quelle che
reinteragiscono debolmente nella fase finale Il messaggio che
portano non viene confuso Le particelle ideali sono quelle che sono
insensibili allinterazione forte Fotoni Leptoni (elettroni,
muoni)
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una particella (mesone) formata da un quark c e dall antiquark
c, legati dall interazione forte Un caso particolare: la
soppressione della J/ Pu decadere, dopo una vita media lunga in una
coppia di muoni I muoni sono leptoni, dunque non interagiscono
fortemente con lambiente circostante
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La J/ immersa in un ambienteincolore Le particelle usuali,
essendo di colore neutro non interagiscono in modo sufficientemente
energico da influenzare la coppia cc
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La J/ immersa in un ambiente colorato Un ambiente colorato come
il QGP pu rompere il legame tra quark c e c e distruggere la
J/
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Potenziale quark-antiquark Supponiamo di immergere la coppia cc
in un plasma di quark e gluoni Effetto sul potenziale V(r) ? Il
termine di confinamento (kr) svanisce La presenza di una elevata
densit di colore scherma la parte coulombiana del potenziale
Consideriamo una coppia legata cc nel vuoto La loro interazione pu
essere (approx.) descritta dal potenziale Coulombiano confinamento
D : lunghezza di schermatura (Debye)
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Qualche dettaglio in pi Esiste un ampio spettro di stati legati
di quark pesanti Propriet calcolabili in un approccio
non-relativistico ( cc ~ 0.4, bb ~ 0.2) Risonanze molto strette (
J/ =93 keV)
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Stati del charmonio (e bottomonio) I vari stati legati cc e bb
possono essere caratterizzati in termini di energia di legame e
dimensioni Stati pi legati hanno dimensioni pi piccole La
condizione r 0 >r D si otterr a temperature diverse per le varie
risonanze Possiamo cercare di identificare le risonanze che
scompaiono e da l dedurre la temperatura T ottenuta nella
collisione
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Risonanze e temperatura Soppressione J/ Soppressione
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Soppressione sequenziale Digal et al., Phys.Rev.
D64(2001)094015 Quindi ogni risonanza ha una sua soglia di
dissociazione tipica Per osservare questo fenomeno, sufficiente
misurare lo stato pi legato Infatti le risonanze meno legate hanno
un B.R. non nullo di decadimento (radiativo) verso risonanze pi
legate J/ (3S) b (2P) (2S) b (1P) (1S) (2S) c (1P) J/ 30%10% 60%
Per il charmonio si ha
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Studio sperimentale Due dei rivelatori usati negli esperimenti
per la misura della centralit sono stati progettati e costruiti a
Torino Calorimetro a zero gradi Rivelatore di molteplicit adronica
SPS, CERN 1994-2003, esperimenti NA50/NA60 RHIC, BNL 2000-,
esperimento PHENIX beam ~ 1m Muon Spectrometer MWPCs Trigger
Hodoscopes Toroidal Magnet Iron wall Hadron absorber ZDC Target
area MUON FILTER BEAM TRACKER TARGET BOX VERTEX TELESCOPE Dipole
field 2.5 T BEAM IC not on scale NA50-NA60
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La centralit Collisione periferica Collisione centrale 12 34
ZDC MD Le collisioni centrali coinvolgono un maggior numero di
protoni e neutroni e creano condizioni pi favorevoli alla
formazione del QGP
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Il risultato (in breve) In collisioni Pb-Pb centrali, la
produzione di J/ dimezzata rispetto al previsto stato osservato un
segnale della produzione del QGP! Densit di energia
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Verso energie pi elevate Lesperimento ALICE, a partire dal
novembre 2007, studier collisioni p-p (E=7 TeV) e Pb-Pb (E = 2.7
TeV/nucleone) all LHC Forte contributo dei gruppi torinesi Perch un
esperimento con ioni pesanti a LHC ?
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Verso il QGP ideale Gli esperimenti condotti finora hanno
permesso solo di affacciarsi per un breve istante verso il QGP Alle
energie di LHC si potr ottenere un plasma Pi caldo A vita pi lunga
Su una zona pi estesa La possibilit di creare il QGP gi stata
dimostrata A LHC potremo studiare le sue propriet SPS RHIC LHC
Torino e ALICE (1) Dopo aver partecipato al progetto, alla
costruzione e allanalisi dei dati degli esperimenti NA50 e NA60
allSPS, siamo impegnati su pi fronti nella realizzazione di ALICE
Inner Tracking System ITS (SDD) Individuazione del vertice
principale della collisione Rivelazione dei vertici secondari
(decadimento mesoni D, B) ~ 100 m
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Torino e ALICE (2) Muon arm trigger La produzione di muoni
interessanti (alto momento trasverso, possono venire dal
decadimento della J/ o della ) un fenomeno relativamente raro Due
muri di RPC individuano rapidamente questi eventi e fanno scattare
(trigger) lacquisizione dei dati Eventi/anno
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Torino e ALICE (3) Zero Degree Calorimeter(s) ZDC Come agli
esperimenti ad energie pi basse, necessario misurare la centralit
delle collisioni ALICE ZDC Dipole to compensate the field of the
dimuon arm dipole Quadrupole triplet to focalize ion beams Dipole
to separate beams ZP ZN 116 m In un collider difficile posizionare
un oggetto sullasse del fascio (si interromperebbe la circolazione
del fascio stesso) Soluzione: gli oggetti vanno posti a valle del
punto di separazione dei fasci
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Siamo quasi pronti.... Primi fasci (protoni) a Novembre!
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Per finire In un certo senso il QGP lantenato (cosmologico) dei
nuclei atomici di cui composto il mondo che oggi ci circonda
Sappiamo che riempiva luniverso pochi istanti dopo la sua
formazione Con gli strumenti oggi disponibili alla fisica delle
alte energie (accelerazione e collisione di ioni pesanti
ultrarelativistici ) possiamo ricreare in laboratorio un immagine
di questi momenti lontani nel tempo Gli sviluppi tecnici pi recenti
nel campo dei rivelatori permettono di analizzare quantitativamente
tali collisioni Fine ultimo: capire meglio lorigine, ma anche la
struttura attuale (confinamento) della natura