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Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Aachen, 13. März.

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Präsentation zum Thema: "Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Aachen, 13. März."—  Präsentation transkript:

1 Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft Aachen, 13. März 2003

2 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 2 Übersicht Kernmaterie unter extremen Bedingungen RHIC & seine Experimente Experimentelle Ergebnisse –Teilchenspektren –radialer und anisotroper Fluss –Unterdückung von Teilchen mit hohem Transversalimpuls –Jets bei RHIC-Energien Zusammenfassung & Ausblick

3 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 3 Phasendiagramm von Kernmaterie (nach QCD) T << QCD : starke Kopplung Quark-Einschluss in Hadronen T >> QCD : schwache Kopplung Quark-Einschluss aufgehoben (Deconfinement/Quark Gluon Plasma) Phasenübergang bei T~ QCD ? hier für zwei massenlose Quarkflavors (Rajagopal und Wilczek, hep-ph/ ) Untersuchung von Kernmaterie unter extremen Bedingungen (hohe Temperaturen und/oder hoher Druck) Baryon T

4 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 4 QCD-Gitterrechnungen gleichzeitige Übergänge: ­ Deconfinement ­ Wiederherstellung der chiralen Symmetrie F. Karsch, hep-ph/ kritische Energiedichte: T C ~ 175 MeV C ~ 1 GeV/fm 3 Ideales Gas (Stefan-Boltzmann Grenzfall ) q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q q

5 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 5 Der Phasenübergang im Labor elektro-magn. Signale (l l ) harte (high-p T ) Physik soft Physics (low-p T ) chemisches Ausfrieren (T ch T c ) : Ende der inelastischen Stöße kinetisches Ausfrieren (T kfo T ch ): Ende der elastischen Stöße

6 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 6 The R elativistic H eavy- I on C ollider 2 unabhängige Beschleunigungsringe 3.83 km Umfang beschleunigt alles von p bis Au Au+Au-Strahlzeit 2001/ bunches pro Ring (getested bis zu 110) Speicherenergie Speicherenergie: 100 GeV/A Kollisionsenergie: 200 GeV/Nukl.-paar Max. Luminosität: cm -2 s -1 p p -Strahlzeit 2001/ bunches pro Ring p /bunch Energie/Strahl: 100 GeV Max. Luminosität: cm -2 s -1 Strahlpolarisation ~ 25% ( AGS) Long Island STAR PHOBOS PHENIX BRAHMS

7 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 7 STAR Magnetspule, Tracking über großen Raumwinkelbereich, TPCs, Si-Vertex Tracker, RICH, EM Cal, TOF ~420 Mitarbeiter CoilsMagnet Silicon Vertex Tracker E-M Calorimeter Time of Flight Time Projection Chamber Forward Time Projection Chamber Electronics Platforms Hadronische Observablen in großem Raumwinkelbereich Einzelereignis-Analyse von Hadronen und Jets PHENIX Achsiales Magnetfeld, Hohe Auflösung bei hoher Messrate, 2 zentrale, 2 vorwärtsgerichtete Spektrometerarme TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID ~450 Mitarbeiter Leptonen, Photonen und Hadronen in ausgewählten Raumwinkeln Gleichzeitige Messung von verschiedenen Phänomenen des Phasenübergangs Die großen RHIC-Experimente

8 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 8 Die kleinen RHIC-Experimente BRAHMS 2 herkömmliche Spektrometer Magnete, Tracking Chambers, TOF, RICH ~40 Mitarbeiter PHOBOS 2-armiges Table-top Spektrometer Magnet, Si- -Streifen, Si-Mult.-Ringe, TOF ~80 Mitarbeiter Ring Counters Paddle Trigger Counter Spectrometer TOF Octagon+Vertex geladenen Hadronen in ausgewählten Raumwinkelbereichen Multiplizität in 4 Teilchenkorrelationen inklusive Teilchenspektren über große Rapiditätsbereiche

9 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 9 Geometrie einer Schwerionenkollision Anzahl der Partizipanden (N part ): Anzahl der einlaufenden Nukleonen in der Überlapp-Region Anzahl der binären Kollisionen (N bin ): Anzahl der inelastischen Nukleon-Nukleon Kollisionen Stoßparameter b periphere Kollision: b b max zentrale Kollision: b 0 N bin N part /2 peripher zentral b

10 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 10 Peripheres Ereignis (Echtzeit Level-3 Display) STAR Farbkodierung Energieverlust

11 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 11 Zentrales Ereignis (Echtzeit Level-3 Display) STAR

12 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 12 Multiplizität geladener Teilchen dN ch /d 19.6 GeV130 GeV200 GeV PHOBOS Preliminary zentral peripher Zentrale Kollisionen bei 130 GeV: 4200 geladene Teilchen!

13 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 13 zentralste Ereignisse PHENIX EMCAL R 2 Energiedichte Bjorken ~ 4.6 GeV/fm 3 ~ 30fache Grundzustandsdichte von Kernmaterie ~ 1.5 bis 2 mal höher als am SPS ( s = 17 GeV) ~ 5 mal so groß wie critical von QCD-Gitterrechnungen Bjorken-Formel für Energiedichte bei Thermalisierung (Modell !!!) Zeit bis zur Thermalisierung ( 0 ~ 1 fm/c) ~6.5 fm Wie groß ist die erreichte Energiedichte? Vergleich mit der erwarteten Energiedichte beim Phasenübergang 130 GeV

14 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 14 Teilchenspektren bei 200 GeV/N +, -, K +, K - Spektren in Zentralitätsabhängigkeit (130 GeV/N Daten in nucl-ex/ ) p und p-bar Spektren in Zentralitätsabhängigkeit (130 GeV/N Daten in PRL 87 (2002)) STAR Preliminary + K-K- _p_p

15 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 15 Antiteilchen zu Teilchen-Verhältnisse Sehr gute Übereinstimmung der versch. RHIC-Experimente bei y = 0, s = 130 GeV STAR-Ergebnisse für p-bar/p p-bar/p = 0.11 ± 20 GeV p-bar/p = 0.71 ± 130 GeV ursp. Veröffentlichung 0.60 ± 0.06 p-bar/p = 0.80 ± 200 GeV p-bar/p ratios K+/K- ratios STAR

16 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 16 _ _ _ _ _ _ STAR preliminary p+p p/p ISR _ Anti-Baryon zu Baryon Verhältnis vs. s NN im frühen Universum –p-bar/p = Paarproduktion nimmt mit s zu. Die Region mittlerer Rapidität ist (selbst am RHIC) noch nicht Baryonen-frei! Paarproduktion ist größer als Baryonentransport. 80% der Protonen stammen von Paarproduktion. 20% werden über 5 Rapiditäts- einheiten transportiert (stopping). Baryonen werden am RHIC stärker paarweise erzeugt als aus den Anfangskernen zu mittleren Rapiditäten transportiert.

17 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 17 Chemisches Ausfrieren (Thermisches Modell) Annahme: - Thermisch und chemisch equillibrierter Feuerball beim hadro- chemischen Ausfrieren. Rezept:- Groß-kanonisches Ensemble zur Beschreibung der Zustandsfunktion Teilchendichte für verschieden Teilchenarten i - Randbedingungen: Volumen V, chem. Potential für Strangeness S, Isospin input: gemessenen Teilchenverhältnisse output: Temperatur T und baryo-chemisches Potential b

18 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 18 Wo befinden wir uns im Phasendiagramm? Die Analyse des Endzustands legt nahe, dass wir uns nahe der Phasengrenze befinden. Mit den Daten aus den Hadronproduktionen können keine höheren Temperaturen gemessen werden! Baryo-chemisches Potential b [MeV] Frühes Universum Chemische Temperatur T ch [MeV] AGS SIS SPS RHIC Quark-Gluon Plasma Hadron gas Deconfinement Chiral Restauration Lattice QCD Atomkerne

19 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 19 Transversaler Fluss Die transversale (radiale) Expansion der Quelle erhöht die kinetische Energie der Teilchen. Die klassische Schreibweise für die Gesamtenergie legt daher einen linearen Ausdruck für die effektive Temperatur nahe: - K-K- p Au+Au bei 200 GeV Die Steigungen nehmen mit zunehmender Teilchenmasse ab. und effektive Temperatur nehmen daher mit der Masse zu. T obs 215 MeV T obs 310 MeV T obs 575 MeV STAR

20 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 20 Kinetischer Freezeout mit transversalem Fluss (RHIC) = 0.55 ± 0.1 c T kfo (RHIC) = 100 ± 10 MeV Explosive (transversale) Expansion Hoher Druck hohe Rescattering-Rate Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts wahrscheinlich

21 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 21 Anisotroper Fluss pxpx pypy y x periphere Kollisionen Überlapp ist nicht (kugel)symmetrisch im Raum Überlapp hat Linsenform –Teilchen können einfacher in die x-z-Ebene emittiert werden –zur Seite gewandte Fläche ist größer als oben-unten x y z räumliche Anisotropie Anisotropie im Impulsraum –Partonische Wechselwirkungen erzeugen Druck, der die ursprüngliche räumliche Anisotropie in die beobachtbare Impulsanisotropie transformiert. Fourierentwicklung der Impulsverteilung der Teilchen in der x-y-Ebene v n bezeichnet den Fourierkoeffizienten der Ordnung n die Fourierentwicklung wird relativ zur Reaktionsebene durchgeführt v 1 : gerichteter Fluss v 2 : elliptischer Fluss

22 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 22 Zentralitätsabhängigkeit von v 2 (130 GeV) v 2 erreicht hohe Werte –6% in peripheren Kollisionen –entsprechend weniger in zentraleren Kollisionen Hydro-Modellrechnungen stimmen gut mit den Messergebnissen überein –Im Gegensatz zu Kollisionen bei niedrigeren Energien, wo Hydro den anisotropen Fluss überschätzt Anisotroper Fluss ensteht durch Rescattering –Da anisotroper Fluss zu späteren Zeiten unterdrückt wird (self-quenching), weisen die Daten auf eine frühe und damit schnelle Thermalisierung des Quelle hin. Anisotroper Fluss erreicht am RHIC sehr hohe Werte PRL 86, (2001) 402 [STAR; stimmt mit PHENIX überein] ansteigende Zentralität Hydro-Vorhersagen

23 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 23 v 2 vs. p t und Teilchenmasse (130 GeV) Massenabhängigkeit wird von hydro- dynamischen Modellen reproduziert –Hydro setzt lokales thermisches Gleichgewicht voraus –kurz nach der Kollision –anschließende hydrodynamische Expansion der Quelle PRL 86, 402 (2001) & nucl-ex/ (STAR) Hydro stimmt sehr gut mit den Daten überein D. Teaney et al., QM2001 Proc. P. Huovinen et al., nucl-th/

24 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 24 v 2 für high-p t Teilchen (130 GeV) pQCD, inelastischer Energieverlust + Hydro- Parametrisierung (M. Gyulassy, I. Vitev and X.N. Wang, PRL 86 (2001) 2537) –Absolutwert von v 2 bei hohem p t sensitiv auf die Gluonendichte –Sättigung und anschließende Abnahme von v 2 bei ansteigendem p t Messwerte weichen ab p t > 2 GeV/c vom hydrodynamischen Modell ab Adler et al. (STAR), nucl-ex/ Ergebnisse in qualitativer Übereinstimmung mit Jet-quenching

25 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 25 Harte Stöß e in Schwerionenkollisionen neue Möglichkeiten am RHIC Hard Parton Scattering – s NN = 200 RHIC –17 CERN SPS Jets und Mini-Jets –30-50 % der Teilchenproduktion –High-p t leading Particles –Azimutale Korrelationen stö rungstheoretischer Bereich wird zug ä nglich –Berechnungen korrekt? gestreute Partonen erleiden Energieverlust (dE/dx ~ x) bei ihrem Weg durch das Farbmedium –WW von Partonen mit partonischer Materie –Unterdrü ckung von Teilchen mit hohem p t : jet quenching Unterdrü ckung von Winkelkorrelationen Hadronen q q leading particle leading particle Schema der Jet-Produktion QGP Vakuum

26 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 26 Hadronen mit großem p t Preliminary s NN = 200 GeV

27 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 27 Messung von Hadron-Unterdrückung / inel p+p N+N Wirkungs- querschnitt 1. Vergleich: Au+Au mit N+N Wirkungsquerschnitten 2. Vergleich: zentrale mit peripheren Au+Au-Kollisionen Nuclear Modification Factor: Ohne zusätzliche Effekte: R < 1 im Soft Regime R = 1 bei hohem p T (dominiert durch harte Stöße) mögliche Unterdrückung: R < 1 bei hohem p T

28 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 28 Unterdrückung von Hadronen bei 130 GeV PHENIX: PRL (2002) und geladene Hadronen, zentrale Kollisionen STAR: nucl-ex/ geladene Hadronen, Zentralitätsabhängigkeit Klarer Nachweis der Unterdrückung von Hadronen mit hohem p T in zentralen Kern+Kern-Stößen

29 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 29 Preliminary s NN = 200 GeV Unterdrückung von Hadronen bei 200 GeV PHENIX preliminary 200 GeV Daten (vorläufig): Unterdrückung um den Faktor 4-5 bis zu transversalen Impulsen von p T = 12 GeV/c PHENIX Vergleich peripherer und zentraler Au+Au mit gemessenen p+p Kollisionen STAR gel. Hadronen: Verh. zentral/peripher

30 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 30 Jets in Au+Au-Kollisionen p+p Jet+Jet RHIC) Au+Au ??? RHIC)

31 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 31 STAR Preliminary 200 GeV/c, 0-5% zenralste Ereignisse 4 < p t (trig.) < 6 GeV/c, 2 GeV/c < p t (assoz.) < p t (trig.) Differenz Statistische Suche nach Jets in Au+Au-Stöß en Au+Au –Fluss p+p und Au+Au- Kollisionen: –Dijets –Impulserhaltung –Jets –Resonanzen kleines alle high-p t trigger assoz. Teilchen,

32 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 32 Periphere Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss Ansatz: Ein high-p t getriggertes Au+Au-Ereignis setzt sich aus einem high-p t getriggerten p+p-Ereignis und anisotropem Fluss zusammen v 2 aus der Flussanalyse A in der Region ohne Jets (0.75 < | | < 2.24) angepasst

33 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 33 Zentrale Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss

34 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 34 Jets bei RHIC-Energien Der rückwärtsgerichtete Jet fehlt in zentralen Au+Au-Kollisionen im Vergleich zu p+p Daten unter Berücksichtigung von anisotropem Fluss ? Oberflächenemission? Unterdrückung der back-to- back Korrelationen in zentralen Au+Au Kollisionen Andere Möglichkeiten, das Verschwinden des rückwärtigen Jets zu erklären? Untersuchung k T -Effekten im Kern experimentell: p+Au or d+Au theoretisch: bessere Modellierung von k T -Effekten

35 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 35 Eigenschaften von Kernmaterie bei RHIC-Energien heiß, –chemisches Ausfrieren bei 175 MeV –thermisches Ausfrieren bei 100 MeV –Die Ausfriertemperaturen zeigen überraschenderweise keine s-Abhängigkeit. schnell, –transversale Expansion mit einer Durschnittsgeschwindigkeit von >0.55 c –hohe Werte von anisotropem Fluss (v 2 ) implizieren hydrodynamische Expansion und hohen Druck kurz nach der Kollision undurchdringlich, –Sättigung von v 2 bei hohem p t –Unterdrückung von high-p t Teilchen im Vergleich zu p+p –Unterdrückung von entgegengerichteten Jets und es ist mit einem thermodynamischen Gleichgewicht vereinbar –perfekte Anpassung von thermischen Modellen im Gleichgewicht an gemessene Teilchenverhältnisse –gute Übereinstimung von hydrodynamischen Modellen an Flussmessungen setzen Gleichgewicht voraus

36 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen 36 Strahlzeiten am RHIC im Jahr Wochen d+Au (inkl. Herunterkü hlen ) –Jets konnten bereits nachgewiesen werden, aber der genaue Vergleich zu Au+Au steht noch aus 8 Wochen p p Au+Au-Strahlzeit im Herbst Weitere interessante Messungen in naher Zukunft...


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