Ядро-ядерные столкновения: от релятивистского ядерного коллайдера к Большому адронному коллайдеру – первые впечатления В. Пантуев, ИЯИ Ti me

2 Квантовая хромодинамика: Адроны являются составными объектами из кварков и глюонов r V(r) КХД потенциал растет с расстоянием - конфайнмент Мотивация столкновений релятивистских ядер

3 Что произойдет если КХД вещество нагреть/сжать? V(r)/ КХД расчеты на решетке r V(r)

4 neutron stars Quark Matter Hadron Resonance Gas Nuclear Matter Color Superconductor SIS AGS SPS RHIC & LHC early universe B T T C ~170 MэВ 940 MэВ MэВ baryon chemical potential temperature ( барионная плотность) Ускорение релятивистских ядер - оптимальный подход для исследования КХД вещества при экстремальной температуре и плотности в лабораторных условиях

5 В случае достижения ассимптотической свободы в КХД п лотность энергии на степеней свободы в пределе по Стефану-Больцману: При фазовом переходе возникают глюонные и кварковые степени свободы - спин и цвет - спин, цвет и аромат Для двух ароматов кварков up и down, скобки = 37. Для трех а роматов- =47,5 КХД вычисления на решетке подтверждают оценки и дают Т перехода около 170 МэВ и плотность ~ 1 ГэВ/фм 3

6 0 fm/c 2 fm/c 7 fm/c >7 fm/c Diagram from Peter Steinberg Time Evolution

7 Два ускорительных комплекса: RHIC – Relativistic Heavy Ion Collider, Au+Au, s NN =0.2 TeV LHC – Large Hadron Collider, Pb+Pb, 2.76 TeV (2010)

8 LHC Heavy Ion Energy Frontier ATLAS CMS ALICE Enormous excitement building, first heavy ions in New discoveries? How does the system evolve at higher energy? Energy Loss/Jets Entropy Production Flow

9 ALICE: Множественность частиц: С увеличением энергии растет быстрее, чем для рр Большинство предсказаний ниже на 20%, однако это связано с увеличенной экспериментальной множественностью в рр

10 ALICE: Измерение размеров системы методом интеферометрии тождественных частиц. Все размеры увеличились, особенно R long

11 ALICE: Объём системы до момента адронизации возрос в 2 раза по сравнению с RHIC, что примерно и ожидалось при увеличении энергии

12 ALICE: Время жизни системы до момента адронизации возросло так же в 2 раза по сравнению с RHIC, что примерно и ожидалось при увеличении энергии

13 q q hadrons leading particle leading particle schematic view of jet production hadrons q q leading particle jet production in quark matter leading particle q q hadrons leading particle Образование струй Обычные методы выделения струй не работают в A-A столкновениях на RHIC– слишком большая множественность частиц и очень малая возможная энергия струи На LHC струи удалось выделить Метод jet tomography кварковой материи Было предположено (1992), что в цветнойкварк-глюонной среде цветные заряды должны терять существенную энергию за счет излучения глюонов, что проявится как: –Ослабление или поглощение струй,квенчинг –Подавление адронов при больших p T –Модификация корреляции частиц –Подавление струи отдачи Baier, Dokshitzer, Mueller, Schiff Gyulassy, Levai, Vitev, Wang

14 Если поглощения нет Ядерный модификационный фактор – оценка выхода жёстких частиц по сравнению с ожидаемым выходом, основываясь на данных из рр с учетом скейлинга по числу нуклонных столкновений

15 Результаты ALICE указывают на усиление поглощения почти в два раза – плотность образующейся среды больше, чем на RHIC P.S. Данные ALICE получены для инклюзивных адронов, то есть для мезонов и барионов. На RHIC наблюдается необъяснимая аномалия в выходах барионов На RHIC это было одно из первых и самых значимых наблюдений – подавление струй / jet quenching /

16 Двуструйные события q q hadrons leading particle Образование струй Струя – триггер, Т1 Задняя струя отдачи,Т2 Параметр асимметрии по энергии:

17 Данные ATLAS и CMS периферийныецентральные Результаты подтверждают эффект RHIC: искажение струи отдачи, проходящей через образующуюся среду

18 Коллективные потоки. Партонная жидкость ? Радиальный Эллиптический ( азимутальная ассиметрия ) Ударные волны ? Гребень (ridge) ?

19 x z y Пространственная анизотропия для полуцентральных столкновений приводит в анизотропии в импульсном распределении за счет разных градиентов давления Распределение по углам разлагается в ряд Фурье. Доминирующей является эллиптическая компонента, V2

20 Обнаружение эллиптического потока явилось одним из основных и неожиданных открытий RHIC. Система проявляет свойства жидкости, а не газа слабо связанных партонов, причем поперечная вязкость жидкости,, близка к пределу вязкости (почти идеальная жидкость) Предел η/s = 1/(4 ) Поперечная вязкость/ энтропия

21 Результаты ALICE очень близки к данным на RHIC На LHC среда остается в виде жидкости с вязкостью почти идеальной жидкости (в некоторых моделях ожидалось, что среда будет более горячей и в виде газа)

22 Подавление чармония, J/Ψ – мезона, связанного состояния очарованных кварка и анти кварка Считалось, что подавление этих частиц – в цветной среде за счет экранировки взаимодействия между составляющими кварками, будет являться «явным и безусловным» критерием образования кварк-глюонной плазмы. Однако, все оказалось не так просто....

23 С увеличением температуры все больше состояний чармония будет «плавиться»: Т с – температура перехода в плазму

24 RHIC AuAu 0.2 nb -1 Lower Energy CERN-SPS J/ подавление на RHIC такое же, как на CERN- SPS (0.017 ТэВ) Opposite to many expectations ( e.g. expected hotter medium more suppression ) Hard work ahead to check cold nuclear matter effects and check suppression versus p T

25 Результаты ATLAS покали, что подавление практически такое же как на RHIC и SPS ! ! Скорее, большая «головная боль», чем явный критерий... Этот результат безусловно «отсекает» многие модели....

26 Действительно новое явление (если окончательно подтвердится) было обнаружено на LHC в р+р столкновениях, а не в Pb+Pb, CMS коллаборацией: в событиях с большой множественностью наблюдается структура в распределении частиц по азимутальному углу и быстроте частиц η в виде некоего «горного гребня» - ridge. Аналогичная стпуктура наблюдается на RHIC, но только в ядро- ядерных столкновениях

27 p+p, peripheral Au+Au central Au+Au Typical: - Near-side Jet - Away-side Jet – Head New: - Near-side Modification – Ridge - Away-side Modification – Shoulder Near-side Ridge theories: Boosted Excess, Backsplash, Local Heating,… Away-side Shoulder theories: Mach, Jet Survival + Recom, Scattering,… RHIC

28 CMS наблюдает нечто похожее в рр ridge

29 Высота Ridge растет с множественностью, однако только для рТ < 3 ГэВ/с «Выплёскивание» частиц из образовавшегося фаербола?

30 Выводы Первые результаты ядерных столкновений на LHC подтвердили: Модели настроенные по рр столкновениям успешно описывают множественность частиц. Наблюдение большого эллиптического потока, сравнимого с аналогичной величиной на RHIC указывают на то, что - образующаяся среда по-прежнему проявляет свойства жидкости, - вязкость на RHIC и LHC примерно одинакова. Наблюдается более сильное подавление выхода энергичных адронов: Среда более плотная. Эффект искажения струи отдачи примерно такой же как на RHIC. Дополнительное подтвержде образования плотного ядерного вещества. Размер системы и время её жизни примерно в 2 раза больше. J/{\Psi} подавление как на RHIC и SPS совершенно «спутало все карты» LHC открывает новые возможности для исследования свойств кварк- глюонной среды обнаруженной на RHIC.

31 На LHC открываются новые возможности: Четкое выделение струй большой энергии пособытийная обработка событий с большой множественностью прямое измерение D- мезонов (с очарованным кварком, 1.5 ГэВ) прямое измерение В- мезона (с bottom кварком, 5 ГэВ) измерение прямых фотонов измерение тепловых фотонов – «термометр» среды широкие возможности корреляций нескольких частиц продвинуться по полному спектру «очарованных состояний» ? Z и W бозоны? возможно наконец удастся приблизиться к проблеме конфаймента/удержания КХД цвета....

32 RHIC Perfect Fluid LHC Perfect Fluid?Ideal Gas Z. Fodor – Lattice nanoseconds T = 10 x T c 6 microseconds T c = 170 MeV 1.6 microseconds T = 2 x T c 400 nanoseconds T = 4 x T c Early Universe

33 Backup

Transforming Atlas/CMS parameter A j to RHIC style: GeV and Iaa Aj E_T2 E_T1>100 GeV I use =150 GeV pp PbPb PS. Errors ~10% are not shown