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Ralf Averbeck Stony Brook University Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 8. Juni 2005 Medium Effekte in der Charm Produktion Ein Blick ins.

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1 Ralf Averbeck Stony Brook University Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 8. Juni 2005 Medium Effekte in der Charm Produktion Ein Blick ins Innere des Quark-Gluon Plasma

2 Ralf Averbeck, 2 Universität Bonn, Übersicht l Einführung l Hochenergie Kernphysik: wieso, weshalb, warum? l RHIC und seine Experimente l Das Medium am RHIC: Quark-Gluon Plasma? l Schwere Quarks: Sonden für das Medium l Ausgewählte Resultate: Charm und J/ Produktion bei s NN = 200 GeV –Proton-Proton Kollisionen: Referenz für nukleare Systeme –Deuteron-Gold Kollisionen: Effekte in kalter Kernmaterie –Gold-Gold Kollisionen: Effekte im heissen Medium l Zusammenfassung l Ein Blick in die Zukunft

3 Ralf Averbeck, 3 Universität Bonn, Was geht uns das an? l Der Stoff aus dem wir Menschen sind: l Organe l Zellen l Moleküle l Atome l Elektronen und Kerne l Protonen und Neutronen l Quarks und Gluonen l Letztere hat Niemand je gesehen! l Die Quarkmasse ist nur ~1 % der Nukleonmasse! l Eigenschaften der starken Wechselwirkung: QCD

4 Ralf Averbeck, 4 Universität Bonn, Was ist das Besondere der QCD? l Quantenchromodynamik QCD l Das QCD Vakuum ist nicht leer! l Die Eichbosonen (Gluonen) tragen Farbladung (im Gegensatz zu Photonen in der QED)! l Farbeinschluss und Massengenerierung haben mit der Wechselwirkung von Quarks und Gluonen mit dem QCD Vakuum zu tun!

5 Ralf Averbeck, 5 Universität Bonn, Eine Lösung der QCD Puzzles? l Der Schlüssel: l Zusammenfügen von Partonen zu Hadronen führt zu –Einschluss von Partonen (Träger von QCD Farbladungen) –dynamischer Generierung von Masse (chirale Symmetrie) l Einfrieren von Freiheitsgraden: Phasenübergang! l Der erste Versuch eines Parton-Hadron Phasen- übergangs war erfolgreich (vor Jahren)! l Mikrosekunden nach dem Urknall

6 Ralf Averbeck, 6 Universität Bonn, Eine Reise zurück in der Zeit l Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie: der ideale QCD Spielplatz l Wie bringt man Kernmaterie in Extremzustände? l mit Gewalt! l relativistische Kern-Kern Kollisionen neutron stars Quark Matter Hadron Resonance Gas Nuclear Matter Color Superconductor SIS AGS SPS RHIC & LHC early universe B T T C ~170 MeV 940 MeV MeV baryon chemical potential temperature

7 Ralf Averbeck, 7 Universität Bonn, l Parameter l zwei unabhängige Ringe l 3.83 km Umfang l Kollisionen von beliebigen Kernen und polarisierten (!) Protonen l Schwerpunktsenergie –bis zu 500 GeV für p-p –bis zu 200 GeV für Au-Au (pro N-N Paar) l Luminosität – p-p : 2 x cm -2 s -1 –Au-Au: 2 x cm -2 s -1 RHIC l RHIC = Relativistic Heavy-Ion Collider l Standort: Brookhaven National Laboratory

8 Ralf Averbeck, 8 Universität Bonn, Experimente am RHIC STAR

9 Ralf Averbeck, 9 Universität Bonn, PHENIX: im Prinzip l 3 Detektoren zur Ereignischarakterisierung l Vertexposition l Zentralität: peripher oder zentral? l Reaktionsebene l 2 Forwärtsspektrometer l Muonen Pseudorapidität 1.2 < | | < 2.4 Impuls p 2 GeV/c l 2 zentrale Spektrometer l Hadronen l Elektronen l Photonen Pseudorapidität 0.35 l Impuls p 0.2 GeV/c

10 Ralf Averbeck, 10 Universität Bonn, PHENIX in der Realität

11 Ralf Averbeck, 11 Universität Bonn, Spektroskopie in PHENIX l Spurrekonstruktion und Impulsmessung im Magnetfeld l Driftkammer (DC) l Padkammern (PC) l Identifizierung von Teilchen l Photonen –keine Spur –Schauer im Kalorimeter (EMCAL) l Hadronen –Spur –dE/dx im EMCAL –Flugzeit (EMCAL und TOF Szintillator) l Elektronen –Spur –Cherenkov Licht im RICH –Schauer im Kalorimeter (EMCAL)

12 Ralf Averbeck, 12 Universität Bonn, Eine Au-Au Kollision in PHENIX Animation: Jeff Mitchell, BNL

13 Ralf Averbeck, 13 Universität Bonn, Anatomie einer Au-Au Kollision time Harte Streuprozesse Au Hadronisierung Ausfrieren QGP Bildung und Thermalisierung Raum Zeit Expansion Jet cc e pK QCD Tests: Farbeinschluss chirale Symmetrie

14 Ralf Averbeck, 14 Universität Bonn, Elektromagnetische Strahlung:, e + e, l selten, Sonden für alle Zeit- skalen, da starke Endzu- standswechselwirkung fehlt –Schwarzkörperstrahlung anfängliche Temperatur –In-Medium Eigenschaften von Mesonen Wiederherstellung der chiralen Symmetrie Hadronen:, K, p l häufig, spät produziert (beim Ausfrieren) –Energiedichte –Thermalisierung –(kollektives Verhalten) Sonden für alle Zeitskalen Produktion von einigen Tausend Teilchen pro zentraler Kollision b ~ 0 Au Kern p p cc J q q e e harte Sonden: Jets, cc, direkte l sehr selten, sehr früh produ- ziert (vor QGP Formation) –durchdringen und wechselwirken mit heissem und dichten Medium

15 Ralf Averbeck, 15 Universität Bonn, Das Medium am RHIC: Energiedichte Kernmaterie: p,n Quark-Gluon Plasma: q, g Dichte oder Temperatur Nukleonenabstand: 2 r 0 ~ 2.3 fm Nukleonenradius: r n ~ 0.8 fm l Naive Abschätzung der kritischen Energiedichte l Grundzustand kritisch: Nukleonenüberlapp l Bjorken Model: longitudinale Expansion Kernradius R ~ 6.5 fm Formationszeit ~ fm BJ ~ 5 – 15 GeV/fm 3

16 Ralf Averbeck, 16 Universität Bonn, Thermalisierung l Gitter QCD l QCD Rechnungen auf einem diskreten Raum- Zeit Gitter l massiv parallele Computer l Phasenübergang für l T C 170 MeV (10 12 K) l C 1 GeV/fm 3 l anfängliche Dichte und Temperatur am RHIC l BJ = 5 – 15 GeV/fm 3 T i = 250 – 350 MeV Gitter QCD für Dichte 0 O. Kaczmarel et al., Phys. Rev. D 62, (2000) Die Bedingungen für einen QCD Phasenübergang (Farbeinschluss und chirale Symmetrie) werden in zentralen Au-Au Kollisionen am RHIC erfüllt!

17 Ralf Averbeck, 17 Universität Bonn, g g medium Harte Sonden für das Medium l Ideale Experiment zur Strukturuntersuchung Rutherford: Atom Entdeckung des Atomkerns l SLAC: Elektron Proton Entdeckung der Quarks l Gluon oder Quark Jets l Hadronen mit grossem Impuls l Quark-Gluon Compton Streuung l direkte Photonen l Tomographie des Mediums am RHIC l Sonde muss zu Beginn der Kollision selbstgeneriert werden l Parton-Parton Streuung mit grossem Impulsübertrag Wie gut sind diese Sonden im Rahmen der QCD verstanden?

18 Ralf Averbeck, 18 Universität Bonn, Direkte Photonen bei s NN = 200 GeV l Vergleich mit perturbativen QCD Rechnungen p-p Au-Au l Direkte Photonen sind eine kalibrierte Sonde l Keine starke Endzustandswechselwirkung! N binary : Zahl der bi- nären N-N Kollisionen; ergibt sich aus der Au-Au Kolli- sionsgeo- metrie

19 Ralf Averbeck, 19 Universität Bonn, Pionen in p-p peripheral N coll = central N coll = Au-Au Hadronen bei s NN = 200 GeV l perturbative QCD beschreibt die p-p Daten l binäres Skalieren der kalibrierten Sonde funktioniert in peripheren Au-Au Kollisionen l starke Hadronenunterdrückung in zentralen Kollisionen: konsistent mit Energieverlust durch Gluon-Bremsstrahlung Hadronen bleiben im Medium stecken!

20 Ralf Averbeck, 20 Universität Bonn, Oder ist die Produktion unterdrückt? l Modifikation der Parton Verteilung im Au-Kern bei hoher Energie (Saturierung)? l Kontrollexperiment: d-Au bei s NN = 200 GeV l Kernmodifikationsfaktor: Preliminary DataFinal Data Hadronunterdrückung ist eindeutig ein Endzustands Effekt!

21 Ralf Averbeck, 21 Universität Bonn, l Charm (cc) (und Bottom, bb) Produktion in hadronischen Kollisionen harter Prozess (m q >> QCD ) –perturbativ berechenbar auch bei kleinem Impuls –in führender Ordnung (LO): –Quark-Antiquark Annihilation –Gluon Fusion –Prozesse höherer Ordung? –Produktion über Fragmentation? l Das Experimentierprogramm in p-p, d-Au, Au-Au l Kalibrierung in p-p Kollisionen l Suche nach Medium Effekten –Änderung der Produktionsrate: thermische Produktion im heissen Medium? –Wechselwirkung mit dem Medium Energieverlust, Fluss? Gebundene Zustände: Quarkonia (J, è Komplementär zu anderen harten Sonden Charm Produktion D mesons,

22 Ralf Averbeck, 22 Universität Bonn, PRL 94, (2005) l Ideal (aber sehr schwierig bei hohem Untergrund) Direkte Rekonstruktion von Zerfällen, z.B. l STAR (in p-p und d-Au) Wie misst man Charm Produktion? l Alternativ (aber indirekt) l Beiträge semileptonischer Zerfälle zu Leptonenspektren (Inklusiv & Paare) l STAR (p-p und d-Au) K+K+ - D 0 K + - PHENIX: systematische e ± Messungen in allen Systemen

23 Ralf Averbeck, 23 Universität Bonn, Referenz: e ± in p-p bei 200 GeV l viele Quellen tragen zum inklusiven e ± Spektrum bei l Untergrundbestimmung l Berechnung eines e ± Cocktail von allen bekannten Quellen l Direkte Messung des dominanten Untergrundes –Konverter Methode –e + e - Paar Rekonstruktion l Elektronenüberschuss semileptonische Zerfälle schwerer Quarks PHENIX data

24 Ralf Averbeck, 24 Universität Bonn, l Elektronenspektrum nach Untergrundabzug bei y = 0 l PYTHIA: LO pQCD Rechnung l Parameter justiert zur Beschreibung aller Charm Daten bei kleineren Energien (s 63 GeV) Vergleich mit pQCD Rechnungen PHENIX data l p T < 1.5 GeV/c: PYTHIA konsistent mit Daten l p T > 1.5 GeV/c: PYTHIA Spektrum weicher als Daten l Harte Fragmentations- funktion? l Erhöhte Produktion von Bottom? l Beiträge höherer Ordnung?

25 Ralf Averbeck, 25 Universität Bonn, Vergleich mit pQCD Rechnungen l FONLL: Fixed Order Next-to-Leading Log pQCD Rechnung (M. Cacciari, P. Nason, R. Vogt hep-ph/ ) l Beiträge von Prozessen höherer Ordnung l Bessere Beschrei- bung der spektra- len Form l pQCD liegt syste- matisch unter den Daten l Weitere Produktions- mechanismen l Jet Fragmentation? l Nächster Schritt l Muonen Produktion bei grosser Rapidität (vorwärts/rückwärts)

26 Ralf Averbeck, 26 Universität Bonn, Anregungsfunktion der cc Produktion l Weitere Daten werden zum QCD Test benötigt l Charm Wirkungsquerschnitt am RHIC: cc 1 mb x N binary l zentrale Au-Au Kollision: 20 cc (ohne Medium Effekte)!

27 Ralf Averbeck, 27 Universität Bonn, PHENIX PRELIMINARY 1/T AB EdN/dp 3 [mb GeV -2 ] Kalte Materie: d-Au bei 200 GeV l e ± Spektrum nach Untergrundabzug l Differenz in der Systemgröße zwischen p-p und d-Au Kollisionen l harte Sonde ohne Medium Effekte: d-Au = N binary x p-p l d-Au p-p skaliert l Nukleares Überlappintegral T AB : l Wirkungsquerschnitt Multiplizität l binäre Skalierung

28 Ralf Averbeck, 28 Universität Bonn, /T AB 1/T AB EdN/dp 3 [mb GeV -2 ] Zentralitäts(un)abhängigkeit in d-Au KEINE Anzeichen für signifikante Medium Effekte in kalter Kernmaterie!

29 Ralf Averbeck, 29 Universität Bonn, PHENIX: PRL 94, (2005) Das heisse Medium: AuAu bei 200 GeV l Spektren von e ± aus Zerfällen schwere Quarks für verschiedene Zentralitätsklassen l Statistik ist unzureichend zum Studium der spektralen Form für p T > 1.5 GeV/c Totale Ausbeute für p T > 0.8 GeV/c l Totale Charm Ausbeute in Au-Au entspricht der binär skalierten Ausbeute in p-p (wie für einen harten pQCD Prozess erwartet)!

30 Ralf Averbeck, 30 Universität Bonn, PHENIX Preliminary Charm in Au-Au: Spektren l Kernmodifikationsfaktor R AA für e ± von schweren Quarks ist ver- träglich mit R AA (Hadronen) l Momentane Präzision ist nicht ausreichend zum Studium der Zentralitätsabhaängigkeit l Starke Medium Modifikation der spektralen Verteilung ist evident! l Cocktail Analyse des voll- ständigen Au-Au Datensatzes l Anzeichen für Unterdrückung bei grossem p T ! R AA für Ausbeute 2.5 GeV/c

31 Ralf Averbeck, 31 Universität Bonn, p T [GeV/c] R AA Energieverlust schwerer Quarks Gluon Abstrahlung ist im Vakuum unterdrückt im dead cone: < m/E ( Dokshitzer, Kharzeev: PLB 519(2001)199) l Im Medium kann der dead cone durch Medium induzierte Strahlung gefüllt werden (Armesto, Salgado, Wiedemann: PRD 69(2003)114003) M. Djordjevic et al., hep-ph/ N. Armesto et al. PRD 69(2003) l Gemessene Unterdrückung bei grossem p T l In vernünftiger Überein- stimmung mit theoretischen Rechnungen l Kann verschiedene Szenarien unterscheiden l Mit Vorsicht zu geniessen! l Momentaner Theorievergleich vernachlässigt Bottom Produktion l Für p T 4 GeV/c ist in den Daten ein signifikanter Beitrag von B Zerfällen zu erwarten

32 Ralf Averbeck, 32 Universität Bonn, l cc: wird früh produziert Kann gebundene Zustände bilden: J/ (wie?) Abschirmung der Farbladung im Medium J/ Unterdrückung (Matsui und Satz, PLB176(1986)416) Gebundene cc Zustände: J/ l in zentralen Pb-Pb Kollisionen am SPS J / Unterdrückung über normale nukleare Absorption hinaus (NA50: PLB477(2000)28) l Aussichten am RHIC l Höhrere cc Ausbeute als am SPS Möglicherweise J / Anreicherung durch cc Koaleszenz im abkühlenden Medium Wichtig: J / Messung in p-p und d-A zur Separation normaler Effekte in kalter Kernmaterie l Charm Messungen liefern wesentliche Vergleichsgrundlage

33 Ralf Averbeck, 33 Universität Bonn, J/ e + e - bei zentraler Rapidität (y = 0) J/ + - bei Vorwärts- und Rückwärtsrapidität l Produktions Mechanismus? l Totaler Produktions- wirkungsquerschnitt ist konsistent mit –Color Octet Modell: cc Farbneutralisation durch Gluonabsorption –Color Evaporation Modell: Gluon fragmentiert zu cc und absorbiert weiteres Gluon l Color Singlet Modell (cc Koaleszenz in Singlet Zustand) im Widerspruch zu PHENIX (und Tevatron) Daten l Weitere Informationen aus Polarisationsmessungen Referenz: J/ in p-p bei 200 GeV

34 Ralf Averbeck, 34 Universität Bonn, gluons in Pb / gluons in p X Anti Shadowing Eskola, Kolhinen, Vogt, NP A696(2001)729 PHENIX North Muon Arm: y < 0 PHENIX Central Arms: y 0 PHENIX South Muon Arm: y > 0 l Absorption in kalter Materie: d-Au / p-p < 2×197 l Vielfachstreuung im Eingangskanal: l Verbreiterung der p T Verteilung in d-Au relativ zu p-p l Modifikation der Gluon Strukturfunktion im Kern l shadowing und anti-shadowing J/ in kalter Kernmaterie: d-Au

35 Ralf Averbeck, 35 Universität Bonn, J/ in d-Au: p T -Verbreiterung High x 2 ~ 0.09 Low x 2 ~ Zunahme von mit p T p T -Verbreiterung des J/ (Vielfach-Streuung im Eingangskanal oder Cronin-Effekt) l Vergleichbar zu Daten bei niedrigerer Energie (s = 39 GeV) (E866/NuSea: PRL 84(2000)3256)

36 Ralf Averbeck, 36 Universität Bonn, Klein,Vogt, PRL 91:142301,2003 Kopeliovich, NP A696:669,2001 PHENIX PRELIMINARY J/ in d-Au/p-p als Funktion der Rapidität y l Nukleare Absorption: Absolutwert des Verhältnis l (Anti)Shadowing: Rapiditätsabhängigkeit l Indikation für schwache nukleare Absorption und schwaches (Anti)Shadowing in den d-Au Daten J/ in d-Au: Absorption/Shadowing

37 Ralf Averbeck, 37 Universität Bonn, J/ee R. L. Thews, M. Schroedter, J. Rafelski, Phys Rev C 63, Plasma Coalescence Model Binary Scaling Stat.Model Andronic et al nucl-th/ Absorption (Nuclear + QGP) + final-state coalescence Absorption (Nuclear + QGP) L. Grandchamp, R. Rapp, Nucl Phys A709, 415; Phys Lett B 523, 60 y = 1.0 y = 4.0 l RHIC Run-4 Au-Au (wird z.Z. analysiert) l Statistik vergrößert um Faktor ~40 l Bessere Massenauflösung l Besseres Verhältnis von Signal zu Untergrund Zusätzlich J/ + - l Unterscheidung ver- schiedener Szenarien wird möglich l RHIC Run-5 (Cu-Cu) l Daten zur Massenabhängigkeit J/ in Au-Au: anomale Unterdrückung? l RHIC Run-2 (Au-Au bei 200 GeV) J/ e + e - (~12 Ereignisse): PRC69, ,2004 l Nicht sehr aussagekräftig

38 Ralf Averbeck, 38 Universität Bonn, l Schematisches Massenspektrum mit möglichen Modifikationen durch den QCD Phasenübergang Dileptonen: die ultimative Sonde Chiral symmetry restoration continuum enhancement modification of vector mesons thermal radiation or energy loss suppression (enhancement ) l Wiederherstellung der chiralen Symmetrie: Kontinuum bei niedrigen Massen l Neue Idee (E. Shuryak) l gebundene (farbige) Zustände im Quark- Gluon Plasma?? l vorhergesagt für m ~ 2 GeV/c 2 !

39 Ralf Averbeck, 39 Universität Bonn, real and mixed e + e - distributions real - mixed = e + e - signal net e + e - e + e - from charm (PYTHIA) e + e - from light hadron decays l Dielektronen in Au-Au bei 200 GeV (Run-2) l Kombinatorischer Untergrund ist groß Dileptonen am RHIC: Status l Was wird erwartet? l Zerfälle leichter Hadronen (Cocktail) l Charm Zerfälle (PYTHIA) l Daten sind verträg- lich mit Erwartung l Run-4 = 40 x Run-2 l Untergrungsubtraktion ist unter Kontrolle l Statistische Unsicherheiten sind groß

40 Ralf Averbeck, 40 Universität Bonn, Zusammenfassung l Indizien für einen neuen Materiezustand in Au-Au Kollisionen am RHIC mehren sich l Schwere Quarks und andere harte Sonden l Eichung und pQCD Vergleich in p-p Referenzmessungen l Studium von Medium Effekten in kalter Kernmaterie in d-Au Kollisionen l Beobachtung von neuartigen Medium Effekten in heisser Materie in Au-Au Kollisionen l Einzigartige Möglichkeit, stark wechselwirkende Materie jenseits des QCD Phasenübergangs zu studieren l Aufhebung des Farbeinschluss l Wiederherstellung der chiralen Symmetrie

41 Ralf Averbeck, 41 Universität Bonn, RHIC Ein Blick in die Zukunft: RHIC l unmittelbare Zukunft l Erweiterung der Systematik: Cu-Cu; s NN = 62 GeV l detaillierte Zentralitätsabhängigkeit in Au-Au l Elektronen bei höherem p T Bottom wird zugänglich l DILEPTONEN mit guter Statistik! l PHENIX Erweiterung und RHIC-II (bis 2010) l Si-Pixel Vertex Spektrometer Sekundärvertex (c,b) l HBD (Hadron Blind Detector) Dalitz- und Konversionsrejektion in Dileptonspektren l RHIC-II (Luminositätserhöhung) weitere Quarkonia

42 Ralf Averbeck, 42 Universität Bonn, Terra Incognita l RHIC/LHC: hohe Temperatur, niedrige Baryonendichte l GSI Zukunftsprojekt FAIR l moderate Temperatur, hohe Baryonendichte l Kombination mit einzigartigem Hadronenphysikprogramm mit Antiprotonenstrahlen


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