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L’esperimento ALICE L’esperimento ALICE

e la fisica degli ioni e la fisica degli ioni pesantipesanti

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Sommario

Alcune definizioni utili negli esperimenti di fisica delle alte energie:

• energia del centro di massa ( )

• momento trasverso, longitudinale,...

• rapidità, pseudorapidità

Perché la fisica degli ioni pesanti?

L’esperimento ALICE a LHC

Altri esperimenti sugli ioni pesanti (SPS, RHIC)

s

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Definizioni utili/1

Energia del centro Energia del centro di massadi massa

Pµ1=(E1,p1c) Pµ

2=(E2,p2c)

22221

221

221 4)()()( EcppEEPPs

Sistema c.m.:

E1=E2=E

p1= - p2

m1 = m2

N.B. Pµ è invariante relativistico → non dipende dal sistema di riferimento (Pµ Pµ=M2c4=E2-p2c2)

→√s è l’energia a riposo del centro di massa

→ collider: c.m. fermo, quindi √s è più grande che negli esperimenti a bersaglio fisso → più energia a disposizione per la reazione

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Definizioni utili/2

Pµ1=(E1,p1) Pµ

2=(E2,p2)

Asse z Asse z

p

K+

π

D0

(E,pc)p

(E,pc)K

Momento Trasverso pMomento Trasverso pTT: : sul piano (trasverso) perpendicolare all’asse z

Momento Longitudinale pMomento Longitudinale pzz: : diretto lungo l’asse z dei fasci

Angolo Angolo θθ: : è l’angolo tra la direzione della particella e l’asse z

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Definizioni utili/3

Rapidità Rapidità yy

z

z

pE

pEy ln

2

1

Pseudorapidità Pseudorapidità ηη )2/tan(ln y

lim1

Rapidità centrale (midrapidity):

≈ ≈ 45°45°≤≤ θ ≤θ ≤ 135° 135°

Rapidità in avanti (forward rapidity):≈ ≈ 0°0°≤≤ θ ≤θ ≤ 6°, 6°,≈ ≈ 174°174°≤≤ θ ≤θ ≤ 180° 180°

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La fisica degli ioni pesanti ad alte energie

OBIETTIVO: studiare fenomeni complessi derivanti da processi microscopici

Transizione di fase da materia adronica al

Plasma di Quark e Gluoni (QGP)

VANTAGGIO: volumi maggiori rispetto a collisioni p-p, vita media più grande e sistema con tanti gradi di libertà

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Tc ~ 170 MeV

~ 5 - 10 nuclear

Quark-Gluon Plasma

Gas di adroni

Materianucleare

Stelle di neutroni

SPSAGS

Universo primordiale LHCRHIC

Baryon density

Tem

per

atu

re~ 10 s dopo il Big Bang

Il Plasma di Quark e GluoniÈ uno stato in cui i quark e gluoni non sono confinati negli adroni ma sono liberi di muoversi su volumi più estesi.

Condizioni a cui si realizza il QGP

0 (nuclei) = 0.17 nucleoni/fm3

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Evoluzione spazio-temporale di una collisione

e

space

time jet

Pre-equilibrium

PbPb

E

xpan

sion

Hadronization

p K

Freeze-out

QGP

e

J.Harris

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Come si diagnostica il QGP?Sfida sperimentale: trovare nello stato finale quali sono le osservabili

dell’eventuale transizione di fase

• “hard probes” ad alto pT processi ad alto momento trasferito, prodotti nei primi istanti della collisione:Mezzo attraversato

????

vuoto

QGP

→ particelle pesanti o di alto momento che attraversano il mezzo deconfinato e sono sensibili alla sua natura (jet, J/, ...)

• “soft probes” a basso pT provenienti da stadi successivi della collisione (adronizzazione)

→ abbondanze e rapporti tra particelle identificate→ correlazioni tra particelle→ espansione dinamica della collisione (flow)

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L’esperimento ALICE a LHCALICE (A Large Ion Collider Experiment) è dedicato alla fisica nucleare delle alte energie e studierà le collisioni di

ioni pesanti al Large Hadron Collider (LHC) presso il CERN di Ginevra

Programma sperimentale di ALICE• Collisioni protone – protone con 14 TeV per coppia di nucleoni collidenti, con luminosità L=3 X 10 30cm-2 s -1;

• Collisioni di ioni pesanti Pb-Pb con 5.5 TeV per coppia di nucleoni, con L=10 27cm-2 s -1;

• Interazioni p-Pb, deuterio-Pb, -Pb di sistemi ione-ione con masse intermedie (N-N, O-O, Ar-Ar oppure Sn-Sn).

s

s

A

NNfnL 21 LR

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ALICE: esperimento di ioni pesanti ma con un programma pp

LHC

27 km di circonferenza

CMS, ATLAS: esperimenti pp ma con un programma di ioni pesanti

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ALICE setup

ITS

TPCTRD

TOFPHOS

HMPID

MUON SPECTR..PMD

FMD

Size: 16 x 26 m

Weight: ~10,000 tons

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Il magnete di ALICE

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Il sistema di Il sistema di tracciamento interno tracciamento interno

(ITS)(ITS)

6 Piani di rivelatori al Si

- Camere a Pixel (SPD) : 2 piani più interni

- Camere a deriva (SDD) : 2 piani intermedi

- Camere a microstrip a doppia faccia (SSD): 2 piani più esterni

I rivelatori del barrel/1

Rout=43.6 cm

Lout=97.6 cm

SPD

SSD

SDD

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La camera a proiezione La camera a proiezione temporale (TPC)temporale (TPC)

Raggio interno = 90 cm

Raggio esterno = 250 cm

Lunghezza lungo la direzione del fascio = 500 cmMiscela di gas:

• Ne (90%)

• CO2 (10%) Materiale ridotto al minimo

Lavora in regime proporzionale misure di deposizione di energia

I rivelatori del barrel/2

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I rivelatori del barrel/3

Rivelatore a radiazione di Rivelatore a radiazione di transizione (TRD)transizione (TRD)

•-0.9<<0.9•Superficie: 800 m2 – alta granularità•Identificazione di elettroni p>1 GeV/c

RADIATORE: induce la radiazione

di transizione se > 2000Camera a fili MWPC

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I rivelatori del barrel/4

Rivelatore a tempo Rivelatore a tempo di volo (TOF)di volo (TOF)

DOUBLE STACK OF 0.5 mm GLASS

Edge of active area

cathode pick up pad

cathode pick up pad

anode pick up pad

Resistive layer (cathode)

Resistive layer (cathode)

Resistive layer (anode)

Resistive layer (anode)

5 gaps

5 gaps

•-0.9<<0.9• ottima risoluzione temporale (≈50-60 ps)• Identificazione di e K con p<2GeV/c• Identificazione di protoni con p<4GeV/c

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I rivelatori del barrel/5

Calorimetro Calorimetro elettromagnetico (PHOS)elettromagnetico (PHOS)

Rivelatore di particelle Rivelatore di particelle di alto momento di alto momento

(HMPID)(HMPID)

•È un rivelatore Cherenkov (RICH)•Accettanza ridotta• Identifica e distingue e K con p<3GeV/c• Identifica e distingue protoni e K con p<5GeV/c

• Accettanza ridotta (-0.12<<0.12)• Rivelazione di fotoni:

prodotti nella collisione (prompt) prodotti da decadimenti di 0, ,...

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I rivelatori “in avanti”/1

• Studiare la produzione di J/, ', , ' e ’’ attraverso i decadimenti in 2 muoni

• 2.4 < < 4• Risoluzione di 70 MeV per la J/ e di

100 MeV per la

Spettrometro a Spettrometro a muonimuoni

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I rivelatori “in avanti”/2

Calorimetri a zero Calorimetri a zero gradi (ZDC)gradi (ZDC)

rapidity

y=0

b

participants

spectators

spectators

• Sono calorimetri adronici: •Calorimetro per protoni•Calorimetro per neutroni

• Nel tunnel di LHC a ≈100m dal punto di interazione• Misurano il parametro d’impatto della collisione (centrale, periferica,…): COME?

Misurando l’energia degli spettatori (protoni e neutroni), che è tanto più grande quanto più l’evento è periferico

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Strumenti offline

ROOT: Strumento software sviluppato al CERN in C++C++ analisi matematiche avanzate

MonteMonteCarloCarlo

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Tracciamento in TPC e ITS

TOF

TRD ITS

TPC

PHOS

RICH

Ricostruzione di tracce in TPC e in TPC+ITS (basata sul “filtro di Kalman”). Le richieste sono: buona efficienza di tracciamento (90%) per pT>0.2 GeV/c @ B=0.4 T

buona risoluzione sul momento (dp/p qualche%)

Display di un evento Pb-Pb centrale per

particelle in un angolo di 2°.

Il tracciamento è compiuto da TPC, ITS,

TRD e TOF.

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Ricostruzione di vertici primari

La coordinata Zv è stimata con una correlazione tra i primi 2 layer dell’ITS (PIXEL) in una ristretta finestra azimutale () (in questo caso un’alta molteplicità aiuta!)

Pb-Pb : z 510 m x = Y 25 m

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Identificazione di particelle (PID)

Protoni

Kaoni

Pioni

Elettroni

Protoni

Kaoni

Pioni

Elettroni

TPC

HMPID

ITS

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Analisi

Ricostruzione di J/, , ’, “ nel canale μ+μ-

Ricostruzione di D0K-+

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Analisi/2

K+KK0

s -+

-p

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Gli altri esperimenti con gli ioni pesanti

Esperimento NA49 @SPS (CERN):

Una collisione Pb-Pb a 158 GeV/nucleone

(1996) Una collisione Au-Au a ~ 130 A-GeV

di Energia nel CM

STAR@RHIC (BNL)Central Event (2000)

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H. Santos, "Psi' production in nucleus-nucleus collisions at the CERN/SPS".

pedestal and flow subtracted

Phys Rev Lett 91, 072304

Alcuni risultati

The end

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Identificazione di particelle (PID)/1

0 1 2 3 4 5 p (GeV/c)

1 10 100 p (GeV/c)

TRD e / PHOS /

TPC + ITS (dE/dx)

/K

/K

/K

K/p

K/p

K/p

e /

e /

HMPID (RICH)

TOF

• , K, p, K, p identificati in una grande accettanza (2 × 1.8 unità ) combinando misure di dE/dx in ITS e TPC e misure di tempo nel TOF. Range: da ~200 MeV to 2 (p/K) - 3.5 (K/p) GeV/c•ElettroniElettroni identificati da 200 MeV/c to 100 GeV/c combinando ITS+TPC+TOF con il TRD •In una piccola accettanza l’HMPID estende la PID a ~5 GeV •FotoniFotoni misurati con un’alta risoluzione nek PHOS

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Il confinamento dei quark nella materia

• I quark in un adrone sono legati da una interazione la cui forza cresce con la distanza (~ k r) , dovuta alla carica di "colore". Se si cerca di separare due quarks, quando l’energia del legame raggiunge il punto a cui è energeticamente favorevole creare una coppia quark- antiquark, la stringa si spezza ….

• ... E si finisce con due nuove stringhe incolori (ovvero due nuovi adroni)

• In natura non si è mai osservato un quark libero, ovvero non si è mai osservato un oggetto con carica di colore ("colorato").

[illustration from Fritzsch]