Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC

Präsentation zum Thema: "Schwerionenphysik am Relativistic Heavy-Ion Collider RHIC"—  Präsentation transkript:

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

2 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen
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 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

3 Phasendiagramm von Kernmaterie (nach 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 << LQCD: starke Kopplung  Quark-Einschluss in Hadronen T >> LQCD: schwache Kopplung  Quark-Einschluss aufgehoben (Deconfinement/Quark Gluon Plasma)  Phasenübergang bei T~ LQCD? Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

4 QCD-Gitterrechnungen
gleichzeitige Übergänge: Deconfinement Wiederherstellung der chiralen Symmetrie q q Ideales Gas (Stefan-Boltzmann Grenzfall) F. Karsch, hep-ph/ kritische Energiedichte: TC ~ 175 MeV  eC ~ 1 GeV/fm3 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

5 Der Phasenübergang im Labor
soft Physics (low-pT) elektro-magn. Signale (l+l-, g) “harte” (high-pT) Physik chemisches Ausfrieren (Tch  Tc) : Ende der inelastischen Stöße kinetisches Ausfrieren (Tkfo  Tch): Ende der elastischen Stöße Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

6 The Relativistic Heavy-Ion Collider
2 unabhängige Beschleunigungsringe 3.83 km Umfang beschleunigt alles von p bis Au Au+Au-Strahlzeit 2001/2002 55-56 bunches pro Ring (getested bis zu 110) 7.5108 Speicherenergie Speicherenergie: 100 GeV/A Kollisionsenergie: 200 GeV/Nukl.-paar Max. Luminosität: 51026 cm-2 s-1 pp-Strahlzeit 2001/2002 55 bunches pro Ring 0.81011 p/bunch Energie/Strahl: 100 GeV Max. Luminosität: 1.51030 cm-2 s-1 Strahlpolarisation ~ 25% ( AGS) PHOBOS BRAHMS PHENIX STAR Long Island Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

7 Die “großen” RHIC-Experimente
STAR Magnetspule, Tracking über großen Raumwinkelbereich, TPCs, Si-Vertex Tracker, RICH, EM Cal, TOF ~420 Mitarbeiter PHENIX Achsiales Magnetfeld, Hohe Auflösung bei hoher Messrate, 2 zentrale, 2 vorwärtsgerichtete Spektrometerarme TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID ~450 Mitarbeiter Coils Magnet Silicon Vertex             Tracker E-M Calorimeter Time of    Flight Time Projection           Chamber Forward Time Projection Chamber Electronics Platforms Leptonen, Photonen und Hadronen in ausgewählten Raumwinkeln Gleichzeitige Messung von verschiedenen Phänomenen des Phasenübergangs Hadronische Observablen in großem Raumwinkelbereich Einzelereignis-Analyse von Hadronen und Jets 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 Paddle Trigger Counter TOF Spectrometer Octagon+Vertex Ring Counters geladenen Hadronen in ausgewählten Raumwinkelbereichen Multiplizität in 4 Teilchenkorrelationen inklusive Teilchenspektren über große Rapiditätsbereiche Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

9 Geometrie einer Schwerionenkollision
peripher zentral Stoßparameter b periphere Kollision: b  bmax zentrale Kollision: b  0 b Anzahl der Partizipanden (Npart): Anzahl der einlaufenden Nukleonen in der “Überlapp”-Region Anzahl der binären Kollisionen (Nbin): Anzahl der inelastischen Nukleon-Nukleon Kollisionen Nbin  Npart/2 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

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

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

12 Multiplizität geladener Teilchen
19.6 GeV 130 GeV 200 GeV PHOBOS Preliminary zentral dNch/dh peripher h Zentrale Kollisionen bei 130 GeV: 4200 geladene Teilchen! Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

13 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen
Energiedichte Wie groß ist die erreichte Energiedichte? Vergleich mit der erwarteten Energiedichte beim Phasenübergang PHENIX EMCAL Bjorken-Formel für Energiedichte bei Thermalisierung (Modell !!!) “zentralste” Ereignisse 130 GeV Zeit bis zur Thermalisierung (t0 ~ 1 fm/c) ~6.5 fm eBjorken ~ 4.6 GeV/fm3 pR2 ~ 30fache Grundzustandsdichte von Kernmaterie ~ 1.5 bis 2 mal höher als am SPS (s = 17 GeV) ~ 5 mal so groß wie ecritical von QCD-Gitterrechnungen Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

14 Teilchenspektren bei 200 GeV/N
_ p p+ K- STAR Preliminary STAR Preliminary STAR Preliminary p+, p-, 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)) Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

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

16 Anti-Baryon zu Baryon Verhältnis vs. sNN
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”). _ STAR preliminary  p+p p/p ISR   Baryonen werden am RHIC stärker paarweise erzeugt als aus den Anfangskernen zu mittleren Rapiditäten transportiert. 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 Chem Fit Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

18 Wo befinden wir uns im Phasendiagramm?
Baryo-chemisches Potential b [MeV] Frühes Universum “Chemische” Temperatur Tch [MeV] 200 250 150 100 50 400 600 800 1000 1200 AGS SIS SPS RHIC Quark-Gluon Plasma Hadrongas Deconfinement Chiral Restauration Lattice QCD Atomkerne 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! Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

19 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen
Transversaler Fluss Au+Au bei 200 GeV STAR - Tobs ≈ 215 MeV K- Tobs ≈ 310 MeV 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: p Tobs ≈ 575 MeV Die Steigungen nehmen mit zunehmender Teilchenmasse ab. <pT> und effektive Temperatur nehmen daher mit der Masse zu. Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

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

21 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen
Anisotroper Fluss x y z 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 räumliche Anisotropie  Anisotropie im Impulsraum Partonische Wechselwirkungen erzeugen Druck, der die ursprüngliche räumliche Anisotropie in die beobachtbare Impulsanisotropie transformiert. px py y x Fourierentwicklung der Impulsverteilung der Teilchen in der x-y-Ebene vn bezeichnet den Fourierkoeffizienten der Ordnung n die Fourierentwicklung wird relativ zur Reaktionsebene durchgeführt v1: “gerichteter Fluss” v2: “elliptischer Fluss” Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

22 Zentralitätsabhängigkeit von v2 (130 GeV)
v2 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. Hydro-Vorhersagen PRL 86, (2001) 402 [STAR; stimmt mit PHENIX überein] ansteigende Zentralität  Anisotroper Fluss erreicht am RHIC sehr hohe Werte Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

23 v2 vs. pt 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/ Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

24 v2 für high-pt Teilchen (130 GeV)
pQCD, inelastischer Energieverlust + Hydro-Parametrisierung (M. Gyulassy, I. Vitev and X.N. Wang, PRL 86 (2001) 2537) Absolutwert von v2 bei hohem pt sensitiv auf die Gluonendichte Sättigung und anschließende Abnahme von v2 bei ansteigendem pt Messwerte weichen ab pt > 2 GeV/c vom hydrodynamischen Modell ab Adler et al. (STAR), nucl-ex/ Ergebnisse in qualitativer Übereinstimmung mit “Jet-quenching” Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

25 “Harte” Stöße in Schwerionenkollisionen
neue Möglichkeiten am RHIC  Hard Parton Scattering sNN = 200 RHIC 17 CERN SPS Jets und Mini-Jets 30-50 % der Teilchenproduktion High-pt leading Particles Azimutale Korrelationen störungstheoretischer Bereich wird zugänglich Berechnungen korrekt? gestreute Partonen erleiden Energieverlust (dE/dx ~ x) bei ihrem Weg durch das Farbmedium WW von Partonen mit partonischer Materie Unterdrückung von Teilchen mit hohem pt: “jet quenching” Unterdrückung von Winkelkorrelationen Hadronen q leading particle leading particle Schema der Jet-Produktion QGP Vakuum Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

26 Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen
Hadronen mit großem pt Preliminary sNN = 200 GeV Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

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

28 Unterdrückung von Hadronen bei 130 GeV
PHENIX: PRL (2002) p0 und geladene Hadronen, zentrale Kollisionen STAR: nucl-ex/ geladene Hadronen, Zentralitätsabhängigkeit Klarer Nachweis der Unterdrückung von Hadronen mit hohem pT in zentralen Kern+Kern-Stößen Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

29 Unterdrückung von Hadronen bei 200 GeV
PHENIX p0: Vergleich peripherer und zentraler Au+Au mit gemessenen p+p Kollisionen STAR gel. Hadronen: Verh. zentral/peripher Preliminary sNN = 200 GeV PHENIX preliminary 200 GeV Daten (vorläufig): Unterdrückung um den Faktor 4-5 bis zu transversalen Impulsen von pT = 12 GeV/c Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

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

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

32 Periphere Au+Au-Kollisionen vs. pp+Fluss
Ansatz: Ein high-pt getriggertes Au+Au-Ereignis setzt sich aus einem high-pt getriggerten p+p-Ereignis und anisotropem Fluss zusammen v2 aus der Flussanalyse “A” in der Region ohne Jets (0.75 < || < 2.24) angepasst Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

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

34 Jets bei RHIC-Energien
Unterdrückung der back-to-back Korrelationen in zentralen Au+Au Kollisionen Oberflächenemission? Der rückwärtsgerichtete Jet fehlt in zentralen Au+Au-Kollisionen im Vergleich zu p+p Daten unter Berücksichtigung von anisotropem Fluss Andere Möglichkeiten, das Verschwinden des rückwärtigen Jets zu erklären? Untersuchung kT-Effekten im Kern experimentell: p+Au or d+Au theoretisch: bessere Modellierung von kT-Effekten ? 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 (v2) implizieren hydrodynamische Expansion und hohen Druck kurz nach der Kollision undurchdringlich, Sättigung von v2 bei hohem pt Unterdrückung von high-pt 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 Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen

36 Strahlzeiten am RHIC im Jahr 2003
29 Wochen d+Au (inkl. Herunterkühlen) 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 ... Markus D. Oldenburg Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, Aachen