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IL PLASMA DI QUARK E GLUONI E LE COLLISIONI DI
IONI PESANTI ULTRARELATIVISTICI
Marzia NardiINFN Torino
Scuola Di Fisica Nucleare “Raimondo Anni” (II corso)
Otranto, 29 maggio-3 giugno 2006
33
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Programma
1) Introduzione– sistemi di particelle relativistiche– introduzione alla QCD, simmetrie– QCD su reticolo– transizione di fase nel modello a bag
2-3-4) Collisioni di ioni pesanti ultrarelativistici– fasi della collisione– modello di Glauber e misura di centralita`– espansione, descrizione idrodinamica– segnali di deconfinamento: sonde dure– segnali di deconfinamento: sonde sofficiSaturazione partonica: separazione degli effetti di stato
iniziale/ finale
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Hard probes
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t<0 t=00<t<1 fm/c
t>~10-15 fm/c
QGP adroni freeze-out
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•Soppressione della J/ (charmonio, bottomonio)
•jet quenching•fotoni termici•dileptoni termici
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J/ e partoni ad alto impulso trasverso (jet) vengono prodotti nei primi istanti della collisione tra i nuclei incidenti, in interazioni forti con grande impulso scambiato.La loro produzione si puo` descrivere in termini di QCD perturbativa (Q>1GeV).Interagiscono fortemente con il mezzo, ma il loro destino cambia a seconda della natura del mezzo stesso (confinato/deconfinato). Sono quindi veri e propri segnali di deconfinamento. Le sonde elettromagnetiche (fotoni, dileptoni) vengono emesse dal QGP; interagiscono debolmente con il mezzo attraversato, fuggono facilmente e portano informazioni dirette sul QGP (temperatura, densita`).
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Soppressione della J/
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Proposta 20 anni fa come segnale di deconfinamento (Matsui, Satz), subito suscito` un grosso interesse e stimolo` accurate misure sperimentali.La J/ e` uno stato legato di quark c-cbar, molto piccolo (r~0.2 fm) e fortemente legato (E~ 650 MeV).Quindi e` un oggetto molto compatto.La sezione d’urto di interazione inelastica J/ +h-> D+Dbar e` molto piccola. Un gas adronico e` quindi trasparente alla J/ .Invece nel QGP il legame tra partoni si indebolisce e la J/si dissolve nei quark costituenti
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La collaborazione NA38, utilizzando uno spettrometro di muoni, era impegnata al CERN-SPS in esperimenti di collisioni con nuclei di O,S,Cu,U.L’analisi dei dati alla ricerca del segnale di soppressione inizio` alacremente…
MA… SOPPRESSIONE RISPETTO A COSA ?
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Il processo di produzione di una coppia c-cbar e` duro (gg->c-cbar) e in una collisione NN avviene con probabilita` molto piccola. In una collisione nucleo-nucleo la probabilita` di produrre una coppia c-cbar e` proporzionale al numero di collisioni NN:
Mediando sul parametro di impatto: <Ncoll>=AB
E` naturale quindi studiare la soppressione della J/ in A-B prendendo come riferimento il numero di J/che ci si aspetta in un numero equivalente di collisioni NN (processo di controllo: DY).Si definisce la probabilita` di sopravvivenza della J/ :
)()( bTABbN ABcoll
J/
J//
AB
NN
ABJABS
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La J/ e` stata studiata in urti pp.M=3.097 GeV, =90 KeVDecade in +- con BR~6%.I quark c-cbar formano altri stati legati:
• c (piu` leggero della J/ )
• c (E~250 MeV)
• ’ (E~50 MeV)
Una frazione consistente (~40%) delle J/osservate sperimentalmente (in urti pN e N) provengono da decadimenti radiativi di stati eccitati del charmonio (’, c). Bisogna tenerne conto perche’ le considerazioni fatte in precedenza sulla J/ non e` detto che si applichino esattamente allo stesso modo a ’ e c !
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J/
J/
J/
J/ J/
J/
’
’
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J/
J/
J/
J/ J/
J/
’
’
J/
J/
J/
J/…
…
…
…
…
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J/
J/
J/
J/ J/
J/
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Il mezzo (confinato/deconfinato) influisce in modo diverso sui differenti stati del charmonio.
Proprieta` diverse (energia di legame, raggio) implicanosezioni d’urto diverse per interazioni con adroni e diverse temperature di dissociazione nel plasma.
dirdirdirJJ SSSS '// 1.03.06.0
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un altro po’ di storia…
Pochi mesi dopo la proposta della soppressione della J/ come segnale di deconfinamento, la collaborazione NA38 annuncio` una forte soppressione in urti O-S, O-Cu. L’eccitazione pero`si spense quando, andando ad analizzare vecchi dati p-nucleo, si trovo’ una soppressione confrontabile… Cosa succedeva ?
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Assorbimento prerisonante
La produzione della coppia c-cbar e` istantanea. L’evoluzione in uno stato legato (open/hidden charm) pero` richiede tempo.Se durante questo tempo la coppia c-cbar subisce interazioni ad alta energia (per esempio con altri nucleoni) l’evoluzione viene disturbata e c’e` una buona probabilita` che la J/ non si formi.
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La soppressione della J/ in collisioni p-nucleo e` ben descritta da una formula probabilistica basata sul modello di Glauber:
Da un fit dei dati sperimentali (NA38, NA50) si ricavaabs=4.18 +- 0.35 mb
In urti nucleo-nucleo si generalizza la formula precedente:
I dati sperimentali (fino a S-U) sono ben riprodotti con la stessa abs
absA
z
ApA zbdzAzbdzbdS )',(')1(exp),(2
absB
z
absA
z
BBBAAAAB
zdzBzsdzA
zdzzsdzsdbdS
BA
)'',('')1(exp)',(')1(exp
),(),(22
sb
sb
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Notare i dati Pb-Pb:seguono l’andamento generale nelle collisioni piu` periferiche, poi deviano !Soppressione anomala !
NA38/NA50
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I nuovi dati In-In (NA60) seguono lo stesso andamento di Pb-Pb
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Spiegazioni ?
Sono stati proposti modelli che riescono a riprodurre piuttosto bene la soppressione osservata assumendo la formazione di una fase deconfinata in urti centrali Pb-Pb e In-In.
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Nel 2005 sono stati pubblicati anche I dati sperimentali di RHIC (PHENIX)
Una grossa sorpresa e` stata l’osservare una soppressione confrontabile con quella misurata ad SPS e praticamente indipendente dall’energia !(NB: A RHIC attenzione alla rigenerazione !)
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Spiegazioni senza QGP ?La J/ e` soppressa a causa delle interazioni inelastiche con particelle secondarie (gas adronico in espansione).Problemi:• la sezione d’urto J/ con ,K,… non e` nota sperimentalmente. Calcoli perturbativi (validita` dubbia!) danno una sezione d’urto ~ 0.1 mb• La densita` del gas adronico necessaria per spiegare i dati sperimentali e` irrealistica !Nonostante cio` si sono fatti molti tentativi, alcuni dei quali con buon successo per Pb-Pb. Confronto con gli altri sistemi ?
Per quanto ne so, nessun modello adronico fino ad ora proposto e` in grado di spiegare i dati sperimentali di SPS e RHIC simultaneamente.
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Spiegazione con il QGP
La soppressione osservata a SPS e RHIC e` dovuta esclusivamente alla rimozione delle componenti ’ e c , perche’ la densita` di energia raggiunta non e` ancora sufficiente a dissolvere la J/ diretta:
La soppressione della J/ si vedra` a LHC !
dirdir
dirdirdirJJ
SS
SSSS
'
'//
1.03.06.0
1.03.06.0
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Domandina…
perche` non si e` mai parlato della soppressione della c ?
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Ricapitolando…
Uso delle hard probes:
• creare la sonda: pp• studiare le proprieta` della sonda: pA• utilizzare la sonda: AB• interpretare i dati sperimentali: TT
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Altri segnali
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jet quenching
Una carica di colore che attraversa un mezzo fortemente interagente perde energia in modo diverso a seconda della natura del mezzo.Mezzo adronico: la carica di colore adronizza immediatamenteMezzo deconfinato: la carica di colore perde molta energia in seguito ad interazioni, emissione di g
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Segnale visibile solo dalle energie di RHIC (a SPS i jet non hanno abbastanza energia per essere osservati)
esempio di coppia di jet in una collisione pp (STAR)
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Una particella ad alto impulso trasverso funziona da “trigger”. Si misura la distribuzione di particelle compagne in funzione dell’angolo In urti pp o d-Au si vede un fascio di particelle a 180 gradi, originate dal partone emesso, nel processo elementare, in direzione opposta; il picco appare piu` basso e largo del picco a 0 gradi a causa della risoluzione finita dell’apparato rivelatore (vedere grafico pagina successiva).In urti Au-Au il picco a 180 gradi scompare, segno che il partone opposto ha perso energia nell’attraversamento del mezzo.
trigger particle
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I jet osservati sono formati da partoni emessi in prossimita` della superficie e diretti verso l’esterno.
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confronto diretti-pioni
mezzo denso: opaco ai pioni, trasparente ai fotoni
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dileptoni
Emissione termica dal QGP, proporzionale a eM/T
prevista nella regione intermedia.
llqq
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fotoni termici
Fondo enorme: fotoni emessi in ogni fase dell’evoluzione del sistema: dalle collisioni primarie NN (fotoni diretti) ai decadimenti delle particelle finali.
qgqggqqqgq