Der Urknall im Labor Kai Schweda, Physikalisches Institut

M100 Spiral Galaxie 56 Millionen LJ

Zurück zum Urknall Natur Experiment 10 –6 sec 10 –4 sec 3 min 15 Mil Jahre Quark-Gluon Plasma Nukleonen Kerne Atome Heute Natur Experiment Urknall

Quantum Chromodynamics Quantum Chromodynamics (QCD) is the established theory of strongly interacting matter. Gluons hold quarks together to from hadrons: Gluons and quarks, or partons, typically exist in a color singlet state: confinement. meson baryon

States of Matter - Q G P Compressing Heating nucleon boundary strong interaction gluons and quarks confined inside hadrons T = 0 K nucleus - atom Compressing Q G P T = heiss ! Heating nucleon boundary irrelevant matter J.C. Collins and M.J. Perry, Phys. Rev. Lett. 34 (1975) 1353.

Wie heiss sind die Hadronen ? 1) bei RHIC Energien: Tch = 160 ± 10 MeV B = 25 ± 5 MeV 2) Erinnere: 1/40 eV = 300 K Tch = 160 x 106 eV = 2 000 000 000 000 K 3) 100 000 heisser als im Innern der Sonne ! RHIC white papers - 2005, Nucl. Phys. A757, STAR: p102; PHENIX: p184; Statistical Model calculations: P. Braun-Munzinger et al. nucl-th/0304013.

Hadronen mit schweren Quarks (charm und beauty) Viele neue interessante Signale in ALICE bei LHC, In diesem Vortrag: Hadronen mit schweren Quarks (charm und beauty) D0, D, D+s, L+C, J/y, B0, B±, , …

J/y Unterdrückung J/y : gebundener Zustand aus charm- und anticharm-quark wasserstoffähnlich Radius: 0.45 fm Masse: 3.097 GeV >> T charm- und anticharm-Quarks in der Anfangsphase der Kollision durch Fusion von Gluonen der beiden Kerne gebildet etwa 1 aus 100 cc-Paaren entwickelt sich in ein J/y im QGP: attraktive Wechselwirkung zwischen charm und anticharm-Quark durch Präsenz vieler anderer Quarks und Gluonen abgeschirmt Konsequenz: erwarte signifikant weniger J/y wenn QGP präsent Nachweis von Zerfall in e+e- Paar

J/y Production  suppression, compared to scaled p+p P. Braun-Munzinger and J. Stachel, Nature 448 (2007) 302.  suppression, compared to scaled p+p  regeneration, enhancement (SPS) Low energy (SPS): few ccbar quarks in the system  suppression of J/y High energy (LHC): many ccbar pairs in the system  enhancement of J/y  Signal of de-confinement + thermalization of light quarks !

J/y Enhancement at LHC Anzahl produzierter c-cbar Paare gross J/y: c c c-quarks aus versch. Paaren finden sich und bilden mehr J/y als ohne QGP Eindeutige Signatur eines Quark Gluon Plasma ! J/y: c c  scc mehr Anzahl J/y im Vergleich zu Erwartung ohne QGP Number of participants More central collisions weniger Grösse des Feuerballs Calculations: P. Braun Munzinger, K. Redlich, and J. Stachel, nucl-th/0304013.

Hadronen mit mehreren schweren Quarks Quark Gluon Plasma kocht aus Quarks die Hadronen Quarks sind thermalisiert folgt statistischem Modell Neuer Mechanismus der Hadronisierung  Verstärkung bis zu Faktor 1000 für z.B. Xcc, Wcc, Bc, Wccc Eindeutige Signatur eines Quark Gluon Plasma ! Quarks und Gluonen  Hadronen x1000 Pb+Pb Wccc / D : p+p c c c F. Becattini, Phys. Rev. Lett. 95, 022301 (2005); P. Braun-Munzinger, K. Redlich, and J. Stachel, nucl-th/0304013.

Large Hadron Collider LHC am CERN Energie in einer Blei-Blei Kollision 1150 TeV = 0.18 mJ Faktor 300 höher als in SPS Experimenten sehr heisser Feuerball! T = 1000 MeV

ALICE beim LHC Bis zu 60000 geladene Teilchen TRD TPC Bis zu 60000 geladene Teilchen Faktor 25 höher als beim SPS PetaByte (1015) pro Jahr

Blei-Blei Kollision in ALICE Herausforderung: Rekonstruktion und Identifizierung von 5000 (15000) geladener Teilchen

Deutsche Beteiligung an ALICE TU Darmstadt Oeschler U. Frankfurt Appelshäuser GSI Darmstadt Braun-Munzinger U. Heidelberg PI Glässel, Herrmann, Schweda, Stachel U. Heidelberg KIP Kebschull, Lindenstruth FH Köln Hartung U. Münster Wessels FH Worms Keitel Grosse Verantwortung für zentrale Komponenten des Experiments: Time Projection Chamber TPC: Projektleiter P. Braun-Munzinger (GSI), ehem. Tech. Koord. P. Glässel (PI U. Heidelberg) Transition Radiation Detector TRD: Projektleitung J. Stachel (PI U. Hei- delberg, Tech. Koord. J.P. Wessels (U. Münster) High Level Trigger HLT: Projektleitung V. Lindenstruth (KIP U. Heidel- berg) /D. Röhrich (U. Bergen) die Projekte oben sind dominant oder größtenteils deutsch finanziert deutsche Investitionsmittel ca. 18 M Euro 500 Mann-Jahre etwa 1/5 von ALICE

Time Projection Chamber (TPC) mit 95 m3 größte je gebaute TPC geladene Teilchen ionisieren Gas rekonstruiert 3-dimensionale Spuren Präzision besser als 500mm in x,y,z 180 Raumpunkte pro Teilchenspur insgesamt 560 Millionen Pixel bis zu 1000 Bilder pro Sekunde

Bau der Vieldrahtproportionalkammern Pad Plane: 5504 pads Bau der Vieldrahtproportionalkammern 3 Drahtebenen plus Kathodenpadauslese GSI PI U. Heidelberg U.Bratislava Pads aus der Nähe: 4x7.5 mm2 Herausforderung: kleine Abstände, hohe Gasverstärkung, hohe geom. Präzision) Survey of planarity and pad geometry

TPC Front End Elektronik – 2 ASICS entwickelt von PI Heidelberg PASA & ALTRO chips - Two successful stories TPC Front End Elektronik – 2 ASICS entwickelt von PI Heidelberg und CERN, Kooperation ST Microelectronics, deutsch finanziert U. Heidelberg PI, TU Darmstadt GSI, CERN, Lund U. ALTRO INPUTS PASA exzellentes Verhalten (gerade an STAR bei RHIC verkauft) single channel OUTPUTS PASA: rauscharmer Vorverstärker/Shaper ALTRO: kommerzieller ADC (ST Microelectr.) im selben custom Chip mit digitaler Signalverarbeitung

TPC voll instrumentiert (Laserspuren) und in ALICE installiert

Transition Radiation Detector (TRD) - 540 Kammern (Radiator + Drift + Vieldrahtproportionalkammer + Auslese segmentierter Kathode gefüllt mit Xenon) - typische Kammerfläche 1.7 m2 - gesamte Detektorfläche 750 m2 - arrangiert in 18 Supermodulen (8m lang) - Total 30t - 1.16 Millionen Auslesekanäle - 30 Millionen Auslesepixel

TRD Radiatoren und Kammern Radiatoren: U. Münster Kammern: PI Heidelberg (Entwicklung) JINR Dubna NIPNE Bucharest GSI Darmstadt IKF Frankfurt im Schnitt je 1 Kammer pro Woche Herausforderung: Kammern bestehen aus praktisch nichts und müssen über ganze Fläche sehr plan (200mm) und stabil sein (1mbar entspricht 20 kg auf Kammer)

TRD Ausleseelektronik: 2 custom Chips auf Multichipmodulen (MCM) PASA TRAP TRD Ausleseelektronik: 2 custom Chips auf Multichipmodulen (MCM) PASA und TRAP – entwickelt im PI und KIP U. Heidelberg in jedem MCM werden Spursegmente mit 25 Punkten rekonstruiert - auf einer Kammer 500 CPU's von Ladungs-Clustern zu Spur- Segmenten • Lokale Tracking Unit auf dem Detektor: origin deflection time bins Elektronik sitzt direkt auf Detektor - muss dünn sein - 70 kW müssen gekühlt werden! im ganzen Detektor verarbeiten 275 000 CPU's Rohdaten von 65 MByte, um in 6.5 ms Spuren zu rekonstruieren und Triggerentscheidung zu liefern: Elektronenpaar mit hohem Impuls MCM tester

Aufbau u. Einbau des ersten TRD Supermoduls Oktober 2006 zweite Lage von Kammern komplett mit Elektronik im Supermodul Kontrolle des Detektors: 540 CPU Linux Cluster PI und KIP U. Heidelberg, FH Köln, FH Worms U. Münster, GSI

Was läuft jetzt und im kommenden Jahr – Ihr Beitrag als DiplomandIn ? generell: Bau TRD noch in Gang (2 TRD SM installiert, SM-III Ende November) Inbetriebnahme fertiger Module nach Testen und Einbau in ALICE im CERN, Daten getriggered mit kosmischer Strahlung Kontrolle und Konfiguration des Detektors und seiner Komponenten Entwicklung u. Implementierung Pre-trigger Perfektionierung der Detektorsimulation, speziell Elektronik und Trigger Vorbereitung der Datenanalyse anhand simulierter Ereignisse Physiksimulationen, wie werden die QGP Signale optimal extrahiert ? ab Dezember Schichtbetrieb im CERN, lernen das Experiment zu betreiben Auswertung der Testrahldaten (Datennahme endet morgen früh !) Detektorkalibration Datenanalyse von p+p Daten mit ALICE bei LHC

Im Moment konkret formulierte Themen Implementierung von Funktionalitaet des digitalen Chips in Simulation pretrigger: FPGA Programmierung der verschiedenen Triggerkonfigurationen kombiniert mit Physiksimulationen zu diffraktiver Physik Bau und Software einer Kontrollbox für die TRD Low Voltage Studie zur Jetcharakterisierung bei LHC: insbesondere Teilchenhäufigkeit Testaufbau für Testen der TRD Supermodule nach Ankunft am CERN Simulation u. Checksummen für den TRD trap chip J/y Produktion in pp Kollisionen, Entwicklung der Software u. Analysestrategie Berechnung der Hadronenproduktion im Statistischen Modell, Vergleich mit exp. Daten Auswertung der Teststrahldaten am Proton Synchrotron des CERN ... fuer viele dieser Themen gibt es bereits Kandidaten (momentan: 5 Diplomanden) grundsaetzlich werden Themen formuliert, wenn es einen Interessenten gibt, werden auf dessen Interessen und Stärken abgestimmt plus den gegenwärtigen Status des Projekts – also einen von uns ansprechen - Sprechstunde oder jederzeit informell ab Juni (?) 08 pp Kollisionen, in 09 PbPb - alles ist neue Physik bei LHC Energie - eine einmalige Gelegenheit fuer Diplomanden und Doktoranden

Quark Gluon Plasma Quark Gluon Plasma: Deconfined and Source: Michael Turner, National Geographic (1996) Quark Gluon Plasma: Deconfined and thermalized state of quarks and gluons  Study partonic EOS at RHIC and LHC (?) Probe thermalization using heavy-quarks