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1 Charmonium als Sonde in Schwerionenstößen Vortrag im Rahmen des Seminars Kern- und Teilchenphysik WS 04/05 Vortragender: Markus Rammler Datum: 21.12.04.

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1 1 Charmonium als Sonde in Schwerionenstößen Vortrag im Rahmen des Seminars Kern- und Teilchenphysik WS 04/05 Vortragender: Markus Rammler Datum:

2 2 Motivation Quarks eingeschlossen in farbneutrale Hadronen freie Quarks und Gluonen im Quark-Gluonen-Plasma Aus der Gittereichfeldtheorie: Von Interesse zum Verständnis der QCD.

3 3 Erzeugung eines Quark – Gluon - Plasmas durch Schwerionenstöße. Sonde muss in der frühen Phase der Kollision, vor Bildung des QGP, erzeugt werden. Nur so genügend Informationen über das System 1986: T. Matsui und H. Satz: Die Erzeugung von J/ wird in einem QGP unterdrückt. Dieses wird über seinen Zerfall in Myonen nachgewiesen.

4 4 Einleitung Theorie Experiment Ergebnisse Zusammenfassung

5 5 Theorie Quantenchromodynamik Quark-Gluonen-Plasma ( QGP ) Erzeugung von Charmonium Charmonium im QGP

6 6 Quantenchromdynamik Quarks im Innern von Hadronen werden durch ständigen Gluonenaustausch aneinander gebunden. Farbwechselwirkung: Starke WW zwischen den Quarks durch die Farbladungen der Quarks.

7 7 Confinement Mit zunehmendem Abstand bleibt die Kraft zwischen den Quarks konstant.

8 8 Quark-Gluonen-Plasma ( QGP ) RHIC SPS Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie raumzeitliche Entwicklung einer Schwerionenkollision

9 9 Erzeugung von Charmonium 1.Erzeugung eines -Paares. 2.Farbneutralisation durch Emission oder Absorption eines Gluons.

10 10 Charmonium im Quark-Gluon-Plasma Potential im Vakuum: Potential im QGP: Farbladungen werden abgeschirmt Confinement ist aufgehoben screening length Color-screening

11 11 Das Potential in Abhängigkeit von der Entfernung für verschiedene Temperaturen Aus Gitterrechnungen:

12 12 Befinden sich zwei Quarks im Abstand r voneinander, dann wird die Bindung aufgehoben, wenn : Sind die Charm-Quarks und Charm-Antiquarks innerhalb des QGP ungebunden, werden sie in der Hadronisierung mit den häufiger vorkommenden u und d Quarks D-Mesonen bilden. Die Bildung der J/ wird also in einem QGP unterdrückt !!!

13 13 Experiment Historie Versuchsaufbau Luftbild vom CERN: Die Experimente wurden am SPS ( Superprotonen-Synchrotron ) durchgeführt.

14 14 Historie: Die bei der Untersuchung hochenergetischer Schwerionenreaktionen eingesetzten Beschleuniger

15 15 Versuchsaufbau Das Target Zentralitätsdetektoren Myonenspektrometer

16 16 Das Target Breites Target: Erhöhung der Nukleon-Nukleon WW 7 dünne Subtargets:

17 17 Zentralität - Ist ein Maß für die Energiedichte Zentralität ist definiert durch den Stoßparameter b. Dieser ist nicht direkt bestimmbar. 1.) Elektromagnetischer Kalorimeter ( EC ) Bestimmung der ( neutralen ) transversalen Energie E T Je größer E T,desto zentraler 3 Detektoren zur Zentralitätsbestimmung:

18 18 2.) Multiplizitätsdetektor ( MD ) Zählt die Anzahl und die Winkelverteilung der geladenen Sekundärteilchen die in den Subtargets erzeugt werden. 3.) Zero-Degree-Calorimeter ( ZDC ) Misst die Energie E ZDC, der Zuschauerpartikel, die nicht an der Reaktion teilnehmen.

19 19 Das Myonen - Spektrometer Hadronen – Absorber: Stoppen der Teilchen, die auch in der Kollision Erzeugt werden, bevor sie in Myonen zerfallen.

20 20 Torus-Magnet Multi-Wire-Spurenkammern zur Rekonstruktion der Myonenbahnen

21 21 Bestimmung des Ablenkwinkels im Magnetfeld führt zu p T : Daraus lässt sich über p T der Gesamtimpuls p bestimmen: Die invariante Masse läßt sich nun leicht berechnen ( mit c = 1 ):

22 22 Ergebnisse: Beiträge zum Dimyonenspektrum Normale Absorption Anormale Absorption

23 23 Der Drell-Yan-Prozess: Ein Valenzquark eines Nukleons wechselwirkt mit einem Seequark eines anderen Nukleons. Zerfall der J/ und -Resonanz Zerfälle der D Mesonen Beiträge zum Dimyonenspektrum Kombinatorischer Untergrund z.B.:

24 24 Das Dimyonenspektrum

25 25 Der vorresonante Zustand kann erst nach einer Zeit von 0,3fm in ein vollständiges J/y umgewandelt werden und somit von einem Nukleon absorbiert werden. Normale Absorption: Nukleare Absorption: Absorption durch hadronische Comovers: Beide Effekte führen zur Unterdrückung des Charmoniums!

26 26 Wirkungsquerschnitt Drell-Yan: Wirkungsquerschnitt der J Erzeugung bei nuklearer Absorption: Drell-Yan als Referenz: Die J/ -Unterdrückung wird gut durch die normale Absorption beschrieben.

27 27 Vergleich der J/ Ausbeute unterschiedlicher Strahlen-Target Kombination Der Pb-Pb Punkt liegt deutlich unter dem Fit. Anormale Absorption:

28 28 J/ -Unterdrückung als Funktion der Zentralität 1: Die Wirkungsquerschnitte im Bereich von p-p bis zu den peripheren Pb-Pb-Kollisionen können mit der normalen Absorptions erklärt werden. Deutliche Abweichungen bei den zentralen Pb-Pb-Kollisionen

29 29 J/ -Unterdrückung als Funktion der Zentralität 2 Durchgezogene Linie steht für die Absorption. Deutliche Abweichung von der Absorption je zentraler der Stoß.

30 30 Zusammenfassung Erwartung der J/ -Unterdrückung in einem QGP Außerdem J/ Unterdrückung durch Absorption J/ Unterdrückung bei p-p, p-d, p-A Kolliosionen und bei Kollisionen der leichten Ionen kann durch Absorption erklärt werden. Deutliche Abweichung der J/ Untedrückung von der normalen Absorption bei zentralen Pb-Pb Stößen. Hinweise auf einen neuen Materiezustand( QGP )? Erforschung am RHIC und in Zukunft am LHC unter Besseren Bedingungen sind wohl notwendig.

31 31 A New State of Matter Created at CERN... compelling evidence for the existence of a new state of matter in which quarks, instead of being bound up into more complex particles such as protons and neutrons, are liberated to roam freely. CERN press release, February 10th, 2000

32 32 Literatur Wong: Introduktion to High-Energy Heavy-Ionen Collisions (S , , ) Experiments NA38 / NA 50 ( Zusammenfassung ) NA 50 Collaboration Abstract T.Matsui und H.Satz: Abstract June 1986 Jean Paul Blaizot, Jean-Yves Ollitrault: Abstract (Hwa, QGP) Helmut Satz: Contents ( Hwa, QGP ) L. Kluberg: NA 50 Proposal Wenner Büsching: Doktorarbeit ( S. 7-15) ResultsOfTheNA50ExperimentWithTheCERNSPSHeavyIonBeam LookingForQuarkGluonPlasmaInPbPbCollisionsAt158Gev L.Kluberg: 20 years J/y Suppresion at the CERN SPS, Results F. Karsch: Deconfinment and Quarkonium suppression


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