Medium Effekte in der Charm Produktion Ein Blick ins Innere des Quark-Gluon Plasma

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

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

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

Eine Lösung der QCD Puzzles? Der Schlüssel: Zusammenfügen von Partonen zu Hadronen führt zu Einschluss von Partonen (Träger von QCD Farbladungen) „dynamischer“ Generierung von Masse (chirale Symmetrie) „Einfrieren“ von Freiheitsgraden: Phasenübergang! Der erste Versuch eines Parton-Hadron Phasen- übergangs war erfolgreich (vor 1010 Jahren)! Mikrosekunden nach dem Urknall

Eine Reise zurück in der Zeit Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie: der ideale QCD Spielplatz Wie bringt man Kernmaterie in Extremzustände? mit Gewalt! relativistische Kern-Kern Kollisionen neutron stars Quark Matter Hadron Resonance Gas Nuclear Matter Color Superconductor SIS AGS SPS RHIC & LHC early universe mB T TC~170 MeV 940 MeV 1200-1700 MeV baryon chemical potential temperature

RHIC RHIC = Relativistic Heavy-Ion Collider Standort: Brookhaven National Laboratory Parameter zwei unabhängige Ringe 3.83 km Umfang Kollisionen von beliebigen Kernen und polarisierten (!) Protonen Schwerpunktsenergie bis zu 500 GeV für p-p bis zu 200 GeV für Au-Au (pro N-N Paar) Luminosität p-p : 2 x 1032 cm-2 s-1 Au-Au: 2 x 1026 cm-2 s-1

Experimente am RHIC STAR

PHENIX: im Prinzip 3 Detektoren zur Ereignischarakterisierung Vertexposition Zentralität: peripher oder zentral? Reaktionsebene 2 zentrale Spektrometer Hadronen Elektronen Photonen Pseudorapidität |h|  0.35 Impuls p  0.2 GeV/c 2 Forwärtsspektrometer Muonen Pseudorapidität 1.2 < |h| < 2.4 Impuls p  2 GeV/c

PHENIX in der Realität

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

Eine Au-Au Kollision in PHENIX Animation: Jeff Mitchell, BNL

Anatomie einer Au-Au Kollision time g e m p K L Jet cc g f Zeit Ausfrieren Expansion QCD Tests: Farbeinschluss chirale Symmetrie Hadronisierung QGP Bildung und Thermalisierung Harte Streuprozesse Raum Au

Sonden für alle Zeitskalen Hadronen: p, K, p häufig, “spät” produziert (beim Ausfrieren) Energiedichte Thermalisierung (kollektives Verhalten) b ~ 0 Au Kern Produktion von einigen Tausend Teilchen pro zentraler Kollision p K cc J/ p q Elektromagnetische Strahlung: g, e+e-, m+m- selten, Sonden für alle Zeit-skalen, da starke Endzu- standswechselwirkung fehlt Schwarzkörperstrahlung  anfängliche Temperatur In-Medium Eigenschaften von Mesonen  Wiederherstellung der chiralen Symmetrie e- e+ g “harte” Sonden: Jets, cc, direkte g sehr selten, sehr früh produ-ziert (vor QGP Formation) durchdringen und wechselwirken mit heissem und dichten Medium dies ist eine schematische darstellung einer SI Kollision. Zwei kerne terffen sich mit einem stossparameter b. Je kleiner b ist um so mehr nucleonen nehmen and er kollision teil, um so mehr kollsisionen zwischen nucleonen finden statt und um so mehr teilchen werden erzeugt. In centralen kollisionen, d.h. mit sehr kleinem Stossparameter b, werden viele tausend teilchen erzeugt - die meisten werden senkrecht zur strahlachse erzeugt. Dies bezeichent man als mid rapidity oder rapiditaet null. die meisten teilen sind hadronen pi,k,p. Sie werden bei der hadronsynthese produziert und tragen information vor allem von der letzten phase der kollision von kurz bevor die teilechen aufhoeren strak zu ww. Aus den eigenschaften der hadronen koennen wir auf die anfangs energie dichte zurueckschliessen. Testen ob im reactions volumen thermishen und chemischen gleichgewicht herscht. Collectives Verhalten - expansion unter druck. Eine besondere Bedeutung kommt Teilechen mit strange quarks zu. eine erhoete production dieser teilchen ist eine der schluessel vorhersagen fuer die erzeugung von qm. Um Information ueber die heisse und dichte phase zu erhalten braucht man ander observabelen. Die sensitive sind auf fruehe phase der kollision. Hier unterscheiden man zwei gruppen von observablen. Electromagnetische Strahlung - photonen oder virtuelle photonen, lepton paare. Werden zu jeder zeit abgestrahlt ww dann aber nicht mehr stark und tragen daher information von der fruehen phase zum detector. Zum einen kann man sich das als schwarzkoerperstrahlung vorstellen die dann die anfangs temperatur wiederspiegelt. Dies war auch eine der schluesselvorhersagen. Zum anderen hat man ueber em strachlung aber auch zugriff auf die eigenschaften von hadronen in dichter heisser materie dies ist vermutlich der einziege zugriff auf chirale symmtry wiederherstellung die man hat. Die ander klasse von observablen sind sogenannte harte oder durchdringenede proben. Wie charmonium oder bottonium J/psi und upsilon sowie jets. diese sonden werden in den ersten collisionen noch for der formation von qm erzeugt. Sie durchdringen die heisse materie und sind deshalb sensitive auf deren eigenschaften. Hier gibt es zwei schluesselvorhersagen (i) abschirmung der farbladungen im plasma fuehrt zur underdrueckung aller J/psi resonancen (ii) starker energieverlust in farbiger materie fuehrt zum verschwinden von jets Alle experimentellen beobachtungen sind consistent mit diesen erwartungen. Das moechte ich ihnen nun im folgenden Zeigen. zunaecht fuer Ergebnisse vom SPS und dann fuer erste Ergebnisse vom RHIC.

Das Medium am RHIC: Energiedichte Kernmaterie: p,n Quark-Gluon Plasma: q, g Dichte oder Temperatur Nukleonenabstand: 2 r0 ~ 2.3 fm Nukleonenradius: rn ~ 0.8 fm Naive Abschätzung der kritischen Energiedichte Grundzustand  kritisch: Nukleonenüberlapp Bjorken Model: longitudinale Expansion Kernradius R ~ 6.5 fm Formationszeit t ~ 0.3- 1 fm  eBJ ~ 5 – 15 GeV/fm3

O. Kaczmarel et al., Phys. Rev. D 62, 034021 (2000) Thermalisierung O. Kaczmarel et al., Phys. Rev. D 62, 034021 (2000) Gitter QCD QCD Rechnungen auf einem diskreten Raum- Zeit Gitter massiv parallele Computer Phasenübergang für TC ≈ 170 MeV (1012 K) eC ≈ 1 GeV/fm3 anfängliche Dichte und Temperatur am RHIC eBJ = 5 – 15 GeV/fm3  Ti = 250 – 350 MeV Gitter QCD für Dichte 0 Die Bedingungen für einen QCD Phasenübergang (Farbeinschluss und chirale Symmetrie) werden in zentralen Au-Au Kollisionen am RHIC erfüllt!

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

Direkte Photonen bei √sNN = 200 GeV Vergleich mit perturbativen QCD Rechnungen p-p Nbinary: Zahl der bi-nären N-N Kollisionen; ergibt sich aus der Au-Au Kolli-sionsgeo-metrie Au-Au Direkte Photonen sind eine kalibrierte Sonde Keine starke Endzustandswechselwirkung!

Hadronen bleiben im Medium stecken! Hadronen bei √sNN = 200 GeV perturbative QCD beschreibt die p-p Daten peripheral Ncoll = 12.3  4.0 central Ncoll = 975  94 Au-Au Pionen in p-p Hadronen bleiben im Medium stecken! binäres Skalieren der kalibrierten Sonde funktioniert in peripheren Au-Au Kollisionen starke Hadronenunterdrückung in zentralen Kollisionen: konsistent mit Energieverlust durch Gluon-Bremsstrahlung

Oder ist die Produktion unterdrückt? Modifikation der Parton Verteilung im Au-Kern bei hoher Energie (Saturierung)? Kontrollexperiment: d-Au bei √sNN = 200 GeV Kernmodifikationsfaktor: Hadronunterdrückung ist eindeutig ein Endzustands Effekt! Final Data Preliminary Data

Charm Produktion Charm (cc) (und Bottom, bb) Produktion in hadronischen Kollisionen harter Prozess (mq >> LQCD) perturbativ berechenbar auch bei kleinem Impuls in führender Ordnung (LO): Quark-Antiquark Annihilation Gluon Fusion Prozesse höherer Ordung? Produktion über Fragmentation? Das Experimentierprogramm in p-p, d-Au, Au-Au Kalibrierung in p-p Kollisionen Suche nach Medium Effekten Änderung der Produktionsrate: thermische Produktion im heissen Medium? Wechselwirkung mit dem Medium  Energieverlust, Fluss? Gebundene Zustände: Quarkonia (J/y, U) Komplementär zu anderen harten Sonden D mesons , Y’, c

Wie misst man Charm Produktion? Ideal (aber sehr schwierig bei hohem Untergrund) Direkte Rekonstruktion von Zerfällen, z.B. STAR (in p-p und d-Au) D0  K+ p- PRL 94, 062301 (2005) Alternativ (aber indirekt) Beiträge semileptonischer Zerfälle zu Leptonenspektren (Inklusiv & Paare) STAR (p-p und d-Au) K+ p- PHENIX: systematische e± Messungen in allen Systemen

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

Vergleich mit pQCD Rechnungen Elektronenspektrum nach Untergrundabzug bei y = 0 PYTHIA: LO pQCD Rechnung Parameter justiert zur Beschreibung aller Charm Daten bei kleineren Energien (√s ≤ 63 GeV) pT < 1.5 GeV/c: PYTHIA konsistent mit Daten pT > 1.5 GeV/c: PYTHIA Spektrum „weicher“ als Daten „Harte“ Fragmentations-funktion? Erhöhte Produktion von Bottom? Beiträge höherer Ordnung? PHENIX data

Vergleich mit pQCD Rechnungen FONLL: Fixed Order Next-to-Leading Log pQCD Rechnung (M. Cacciari, P. Nason, R. Vogt hep-ph/0502203) Beiträge von Prozessen höherer Ordnung Bessere Beschrei-bung der spektra-len Form pQCD liegt syste-matisch unter den Daten Weitere Produktions-mechanismen Jet Fragmentation? Nächster Schritt Muonen Produktion bei grosser Rapidität (vorwärts/rückwärts)

Anregungsfunktion der cc Produktion Weitere Daten werden zum QCD Test benötigt Charm Wirkungsquerschnitt am RHIC: scc ≈ 1 mb x Nbinary zentrale Au-Au Kollision: ≥ 20 cc (ohne Medium Effekte)!

Kalte Materie: d-Au bei 200 GeV PHENIX PRELIMINARY 1/TABEdN/dp3 [mb GeV-2] e± Spektrum nach Untergrundabzug Differenz in der Systemgröße zwischen p-p und d-Au Kollisionen „harte“ Sonde ohne Medium Effekte: d-Au = Nbinary x p-p d-Au ≈ p-p skaliert Nukleares Überlappintegral TAB: Wirkungsquerschnitt ↔ Multiplizität binäre Skalierung

Zentralitäts(un)abhängigkeit in d-Au 1/TAB 1/TABEdN/dp3 [mb GeV-2] KEINE Anzeichen für signifikante Medium Effekte in kalter Kernmaterie!

Das heisse Medium: AuAu bei 200 GeV PHENIX: PRL 94, 082301 (2005) Spektren von e± aus Zerfällen schwere Quarks für verschiedene Zentralitätsklassen Statistik ist unzureichend zum Studium der spektralen Form für pT > 1.5 GeV/c Totale Charm Ausbeute in Au-Au entspricht der binär skalierten Ausbeute in p-p (wie für einen harten pQCD Prozess erwartet)! Totale Ausbeute für pT > 0.8 GeV/c

Charm in Au-Au: Spektren „Cocktail“ Analyse des voll-ständigen Au-Au Datensatzes Anzeichen für Unterdrückung bei grossem pT! Kernmodifikationsfaktor RAA für e± von schweren Quarks ist ver-träglich mit RAA(Hadronen) Momentane Präzision ist nicht ausreichend zum Studium der Zentralitätsabhaängigkeit Starke Medium Modifikation der spektralen Verteilung ist evident! PHENIX Preliminary RAA für Ausbeute ≥ 2.5 GeV/c

Energieverlust schwerer Quarks Gluon Abstrahlung ist im Vakuum unterdrückt im „dead cone“: q < m/E (Dokshitzer, Kharzeev: PLB 519(2001)199) Im Medium kann der „dead cone“ durch Medium induzierte Strahlung gefüllt werden (Armesto, Salgado, Wiedemann: PRD 69(2003)114003) pT [GeV/c] RAA Gemessene Unterdrückung bei grossem pT In vernünftiger Überein-stimmung mit theoretischen Rechnungen Kann verschiedene Szenarien unterscheiden Mit Vorsicht zu geniessen! Momentaner Theorievergleich vernachlässigt Bottom Produktion Für pT ≥ 4 GeV/c ist in den Daten ein signifikanter Beitrag von B Zerfällen zu erwarten M. Djordjevic et al., hep-ph/0410372 N. Armesto et al. PRD 69(2003)114003

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

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

J/y in kalter Kernmaterie: d-Au Absorption in kalter Materie: sd-Au/sp-p < 2×197 Vielfachstreuung im Eingangskanal: „Verbreiterung“ der pT Verteilung in d-Au relativ zu p-p Modifikation der Gluon Strukturfunktion im Kern „shadowing“ und „anti-shadowing“ 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

J/y in d-Au: „pT-Verbreiterung“ High x2 ~ 0.09 Low x2 ~ 0.003 Zunahme von a mit pT → „pT-Verbreiterung“ des J/y (Vielfach-Streuung im Eingangskanal oder Cronin-Effekt) Vergleichbar zu Daten bei niedrigerer Energie (√s = 39 GeV) (E866/NuSea: PRL 84(2000)3256)

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

J/y in Au-Au: anomale Unterdrückung? RHIC Run-2 (Au-Au bei 200 GeV) J/y → e+e- (~12 Ereignisse): PRC69, 014901,2004 Nicht sehr aussagekräftig RHIC Run-4 Au-Au (wird z.Z. analysiert) Statistik vergrößert um Faktor ~40 Bessere Massenauflösung Besseres Verhältnis von Signal zu Untergrund Zusätzlich J/y → m+m- Unterscheidung ver- schiedener Szenarien wird möglich RHIC Run-5 (Cu-Cu) Daten zur Massenabhängigkeit R. L. Thews, M. Schroedter, J. Rafelski, Phys Rev C 63, 054905 Plasma Coalescence Model Binary Scaling Stat.Model Andronic et al nucl-th/0303036 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 J/→ee

Dileptonen: die ultimative Sonde Schematisches Massenspektrum mit möglichen Modifikationen durch den QCD Phasenübergang Chiral symmetry restoration continuum enhancement modification of vector mesons Wiederherstellung der chiralen Symmetrie: Kontinuum bei niedrigen Massen Neue Idee (E. Shuryak) gebundene (farbige) Zustände im Quark-Gluon Plasma?? vorhergesagt für m ~ 2 GeV/c2! thermal radiation or energy loss suppression (enhancement)

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

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

Ein Blick in die Zukunft: RHIC unmittelbare Zukunft Erweiterung der Systematik: Cu-Cu; √sNN = 62 GeV detaillierte Zentralitätsabhängigkeit in Au-Au Elektronen bei höherem pT → Bottom wird zugänglich DILEPTONEN mit guter Statistik! PHENIX Erweiterung und RHIC-II (bis 2010) Si-Pixel Vertex Spektrometer → Sekundärvertex (c,b) HBD („Hadron Blind Detector“) → Dalitz- und Konversionsrejektion in Dileptonspektren RHIC-II (Luminositätserhöhung) → weitere Quarkonia RHIC

Terra Incognita RHIC/LHC: hohe Temperatur, niedrige Baryonendichte GSI Zukunftsprojekt FAIR moderate Temperatur, hohe Baryonendichte Kombination mit einzigartigem Hadronenphysikprogramm mit Antiprotonenstrahlen