Fisica Subnucleare Modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti 4 a lezione Dr. Francesco Noferini 1 Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì

Fisica Subnucleare

Modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti

4a lezione

Dr. Francesco Noferini

1Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Sommario del modulo

• Motivazioni: il deconfinamento• Collisioni nucleo-nucleo• Risultati sperimentali in collisioni nucleo-

nucleo (SPS,RHIC)• Risultati ad LHC e prospettive


LHC (Large Hadron Collider)


4

L’esperimento ALICE

• Capacità di rivelare diversi tipi di segnali (fisica variegata):– Alte molteplicità;– Identificazione delle particelle;– Misure di impulso;– Segnali leptonici (elettroni, muoni, …);– Misure di centralità;– Fotoni e segnali ad alto pT.

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

5

Il rivelatore ALICESolenoid magnet 0.5 T

PHOS

ITS

PMD

HMPID

TOFTRD

Muon Arm

TPC

FMDT0,V0,ZDC

Range di identificazione in ALICE


Produzione di particelle in collisioni pp


7

Confronto (entro 1 ) tra ATLAS, ALICE, CMSa parità di condizioni sperimentali

Confronto (entro 1 ) tra ATLAS, ALICE, CMSa parità di condizioni sperimentali

z

η = 0 η = 1η = -1

45o

Distribuzione di energia


8

Distribuzioni di impulso (energia) delle particelle prodotte in collisioni pp all’energie

nel centro di massa di 900 GeV e 7 TeV.Riferimento per collisioni PbPb e fisica dei jet

Distribuzioni di impulso (energia) delle particelle prodotte in collisioni pp all’energie

nel centro di massa di 900 GeV e 7 TeV.Riferimento per collisioni PbPb e fisica dei jet

Distribuzioni per particelle identicate

9

Particelle d’impulso trasverso superiore a 0.5 GeV/c sono state identificate utilizzando il TOF (sez. Bologna)

TOF range


Rapporti di particelle


10

A LHC sono stati misurati i rapporti di particelle a volori di energia e di impulso trasverso più alti rispetto agli esperimenti precedenti.Aumento della produzione di mesoni con stranezza.

A LHC sono stati misurati i rapporti di particelle a volori di energia e di impulso trasverso più alti rispetto agli esperimenti precedenti.Aumento della produzione di mesoni con stranezza.

50.y

Collisioni PbPb


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Event display di ALICE in collisioni PbPb

Nel passaggio dalle collisioni pp a quelle PbPb si passa a scenari di elevatissima molteplicità di particelle (diverse migliaia in questo event display)

Nel passaggio dalle collisioni pp a quelle PbPb si passa a scenari di elevatissima molteplicità di particelle (diverse migliaia in questo event display)

Centralità in collisioni ione-ione

12

b

Parametro di impatto

Regione di sovrapposizione dei due nuclei

La centralità della collisione può essere espressa anche in termini dei nucleoni che partecipano alla collisioni (Npart)

Nucleoni (n,p) che non partecipanoalla collisione

Quark e gluoni prodotti nei primiistanti della collisione


dNch/d vs. centralità (PbPb)


13

Molteplicità di particelle cariche in eventiPbPb in funzione della centralitàMolteplicità di particelle cariche in eventiPbPb in funzione della centralità

Fino a 1600 tracce cariche per unità di rapidità nelle collisioni più centrali

Distribuzioni per particelle identicate (pp vs. PbPb)


Le distribuzioni in impulso delle particelle hanno comportamenti diversi passando da collisioni pp a collisione PbPb (per esempio la produzione dei protoni si avvicina ad alto impuslo a quella dei pioni in collisioni centrali)

Identificazione di particelle in singoli eventi


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L’elevata moltiplicità in collisioni PbPb centrali consente di misurare chiaramente i picchi delle particelle maggiormente prodotte in singoli eventi.

Fluttuazioni nei rapporti, evento per evento, danno informazioni sulla dinamica nel meccanismo di produzione di particelle.

L’elevata moltiplicità in collisioni PbPb centrali consente di misurare chiaramente i picchi delle particelle maggiormente prodotte in singoli eventi.

Fluttuazioni nei rapporti, evento per evento, danno informazioni sulla dinamica nel meccanismo di produzione di particelle.

Antimateria


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Segnali dianti-elio osservati da ALICE in eventi PbPb MB.

Alcuni candidati 4He selezionati.

Segnali dianti-elio osservati da ALICE in eventi PbPb MB.

Alcuni candidati 4He selezionati.

SPS: J/ψ suppressionSoppressione della J/ψ in funzione della densità di energia nella collisione.


00

1

y

dy

dE

Sc

Bjorken’s formula

Transverse dimension S :2PbRS 3/1fm2.1 ARA

fm1.7)208(fm2.1 3/1 PbR2fm160S

J/ψ a LHC (collisioni pp)

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La produzione della J/ψ in funzione dell’energia segue l’andamento delle previsioni pQCD al NLO

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Strong QGP: il flusso ellittico

L’espansione è guidata da un gradiente di pressione

Le particelle sono emesse più probabilmente lungo il piano di reazione

dN/d

φ

2v2

13

3

cos212

1

nRn

tt

nvdydpp

dN

dp

NdE

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PR

L 92

(20

04

) 05

23

02

; PR

L 91

(20

03

) 18

23

01

P. Sorensen

20

L’anisotropia di tipo ellittico segue uno scaling con il numero di partoni costituenti:

Se il flusso ellittico è prodotto nella fase partonica, quando il sistema adronizza ogni particella riceve un v2 e un pT in dipendenza del suo contenuto di quark.

TT

h pn

nvpv1

)( 22

Coalescenza


Elliptic Flow in ALICE


Le misure a LHC del flusso ellittico sono già competitive con quelle di RHIC e l’identificazione di particelle permette di investigare diversi scenari

Confronto tra le diverse specie


Per collisioni ad alte centralità la descrizione dei modelli idrodinamici che funzionavano a RHIC non descrivono il flusso dei protoni

Flusso ellittico per quark


Anche normalizzando al numero di quark (coalescenza) i protoni si discostano dai pioni per alte centralità

24

Un mezzo “colorato”: Il Jet Quenching

Rapporto tra i prodotti in collisioni AuAu e collisioni pp.

Fotoni: no interazione con il mezzo.

Adroni: interazione con il mezzo


ppTcoll

AAT

TAA dpdNN

dpdNpR

/

/

0

0


Geometria della collisione

L1

L2

Proprietà:

• L1≠L2

• Forte dipendenza dal parametro d’impatto (b)

• ΔEi aumenta con Li

Produzione di una coppia di Jet

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Correlazioni di particelleIl metodo tradizionale consiste nel considerare le distanze angolari tra una particella ad alto pT (particella leading) e tutte le altre particelle dello stesso evento con un pT elevato.

Definite le due soglie di impulso trasverso (pT

lead, pTassoc) si considerano gli eventi con

almeno una particella carica di pT > pTlead e si

graficano le distribuzioni angolari di tutte le particelle dell'evento con impulso pT > pT

assoc.

In tal modo si selezionano le correlazioni delle particelle appartenenti al jet la cui direzione è data dalla particella leading dell'evento.


27

• Analisi in 2 dimensioni• Allungamento in Δ

sotto il picco del jet: il “ridge”

Correlazioni in due dimensioni: Δ- Δ

beam direction

ridge

ridge

jet

jet+ridge

p Ttrig

ger =

3-6

GeV

/c,

1.5

GeV

/c <

p Tasso

ciat

ed<

p Ttrig

ger

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“Ridge” in collisioni pp: CMS


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Correlazioni a lungo raggio: arXiv:1009.4122

Prima osservazione di simili correlazioni in collisioni pp in eventi di alta molteplicità

Prima osservazione di simili correlazioni in collisioni pp in eventi di alta molteplicità

29

periferichecentrali

Dipendenza dalla centralità

Contropicco: Sopressione del jetSpostamento del picco: Risposta del mezzo


Correlazioni di particelle a LHC


31

Three regions on away side:center = (, ) ±0.4corner = (+1,+1) ±0.4 x2cone = (+1,-1) ±0.4 x2

away

near

Medium

mach cone

Mediumaway

near

deflected jets1

2

0

0

1

2

0

0

pTtrig=3-4, pT

assoc=1-2 GeV/c2-particle corr, bg, v2 subtracted

φ2=

φ2-φ

trig

d+Au min-bias

dN

2/d

Δφ

1dΔ

φ2/N

trig

φ1=φ1-φtrig

φ2=

φ2-φ

trig

Au+Au 10%

difference in Au+Auaverage signal per

radian2:center – corner = 0.3 ± 0.3 (stat) ± 0.4

(syst)center – cone = 2.6 ± 0.3 (stat) ± 0.8

(syst)

conical flow? 3-particle correlation

L’effetto Mach cone non si vede nei dati a RHIC

L’effetto Mach cone non si vede nei dati a RHIC


Correlazione a 3 particelle (LHC)


2.5 < pTTrigger < 4 GeV/c

1 < pTAssociated < 2 GeV/c

Proiezione nella direzione fuori dalla diagonale

Soppressione nei jet


33

L1

L2

In una collisione PbPb la la formazione di un mezzo denso (QGP) può portare alla soppressione di particelle di alto impulso

•L1≠L2

• Forte dipendenza dal parametro d’impatto(b)

• ΔEi aumenta con Li

Produzione di una coppia di jet

RAA ALICE, soprressione segnali con grandi momenti (jet quenching)

34

ppThcoll

AAThTAA dpdNN

dpdNpR

/

/

ALICE

STAR/PHENIX

Estesa la misura di jet quenching all’energia di 7 TeV e fino ad impulsi di 20 GeV/c

Estesa la misura di jet quenching all’energia di 7 TeV e fino ad impulsi di 20 GeV/c

Ancora sul rapporto RAA a LHC


Dipendenza dalla centralità, energia del jet e quark

Jet quenching in [email protected] ATeV

36

ATLAS

21

21

TT

TTj EE

EEA

arXiv:1102.1957

Assimmetria nell’energia dei jet(leading - subleading):definizione comune ad ATLAS e CMS

leadingsubleading

Correlazione angolare dei jet leading e jet subleading


mailto:[email protected]

Jet quenching (ATLAS e CMS)

37

21

21

TT

TTj EE

EEA

leadingsubleading

Passando da collisioni periferiche a collisioni centrali: •il jet subleading ha un’energia più piccola del jet leading• la correlazione angolare si allarga

Jet quenching (CMS)

38

21

21

TT

TTj EE

EEA

22subleadingleadingparticlesubleadingleadingparticlesubleadingleadingR ///

Passando da jet subleading con piccolo quenching a quelli con altro quenching è stato osservato un sensibile cambio nella forma del jet

Passando da jet subleading con piccolo quenching a quelli con altro quenching è stato osservato un sensibile cambio nella forma del jet

Submitted to Phys. Rev. C


Conclusioni


39

• L’attività ad LHC (2009-2010) ha permesso la caratterizzazione degli eventi in collisioni pp e PbPb in intervalli di energia e di molteplicità fino ad allora inesplorati con il contributo di tutti gli esperimenti principali

• Nel Novembre del 2010 abbiamo avuto le prime collisioni PbPb e sono stati osservati in breve tempo segnali interessanti in alcuni casi confrontabili con quelli del RHIC per precisione

• L’innovazione nei rivelatori ha permesso inoltre di ampliare il numero di osservabili:– Identificazione di particelle a impulsi più elevati (ALICE-TOF)– Jet ad altissimo impulso per l’analisi del jet quenching in collisioni PbPb

(ATLAS e CMS)

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