LINC-2005 Прямые фотоны в ядро-ядерных столкновениях от SPS до RHIC. - презентация

1 LINC-2005 Прямые фотоны в ядро-ядерных столкновениях от SPS до RHIC.

2 LINC-2005 Кварк-глюонная плазма и столкновения ядер сверхвысоких энергий. Фотонное излучение из столкновений ядер сверхвысоких энергий. Эксперимент WA98 на ускорителе SPS в ЦЕРН Прямые фотоны в столкновениях Pb-Pb при энергии s = 17 ГэВ/NN Бозе-Эйнштейновские корреляции прямых фотонов. Эксперимент PHENIX на коллайдере RHIC в БНЛ Подавление выходов пионов с высокими поперечными импульсами в столкновениях Au-Au при энергиях s = 130 и 200 ГэВ/NN Прямые фотоны в столкновениях Au-Au при энергии s = 200 ГэВ/NN. План доклада

3 LINC-2005 Эволюция столкновения ядер Pre-equilibrium Hadronization (Freeze-out)+ Expansion ThermalizationQGP phase?Mixed phase, e + e -, + Hard processes (early stages): Real and virtual photons, high p T particles. Soft hadrons reflect medium properties when inelastic collisions stop (chemical freeze-out). K p n d,…

4 LINC-2005 Фотонное излучение из столкновений ядер уникальный инструмент исследования свойств сгустка экстремально возбуждённой материи Фотоны, рождённые в сгустке в процессе его эволюции, (так называемые прямые фотоны) испытывают только электромагнитное взаимодействие с окружающей горячей плотной материей. Длина свободного пробега фотона много больше размеров сгустка. После своего рождения прямой фотон покидает сгусток без перерассеяния и поэтому несёт информацию о состоянии сгустка в момент своего рождения. Прямые фотоны несут информацию о свойствах сгустка на всех этапах его эволюции, включая самую раннюю фазу максимального разогрева.

5 LINC-2005 Источники фотонов в столкновениях ядер Фотоны из A+A взаимодействия Прямые фотоныРаспадные фотоны НетепловыеТепловыеИзлучение жёсткого партона в среде Начальные жёсткие взаимодей- ствия Предравно- весные фотоны QGPАдронный газ pQCD or prompt photons Взаимодействие жёсткого партона со средой Начальная фаза Фаза эволюции сгустка Фаза после разлёта

6 LINC-2005 Фотонные сигналы Энергетические спектры прямых фотонов Измерение температуры сгустка, прежде всего начальной температуры Бозе-Эйнштейновские корреляции (Hunberry-Brown – Twiss) прямых фотонов Измерение пространственно- временных размеров сгустка

7 LINC-2005 Энергетические спектры фотонов Decay photons hard: thermal:

8 LINC-2005 Эксперимент WA98 в ЦЕРН 21 институт Германия Голландия Индия Польша Россия РНЦ «Курчатовский Институт» ОИЯИ США Швеция ЦЕРН Чехия 158 ГэВ/ нуклон Pb-Pb S = 17 ГэВ/NN

9 LINC-2005 Электромагнитный калориметр LEDA ключевой детектор эксперимента WA98 разработан и создан РНЦ «Курчатовский Институт» Калориметр LEDA модулей из свинцового стекла Свинцовое стекло ТФ мм радиационных длин ФЭУ- 84 Индивидуальные высоковольтные источники (Кокрофт-Уолтон) Площадь: 16м 2, Расстояние до мишени: 21.5 м

10 LINC-2005 Основная цель эксперимента WA98 поиски и исследование сигналов прямых фотонов Выделение сигналов прямых фотонов на статистической основе Измерение спектров прямых фотонов Измерение инклюзивных спектров фотонов для событий разных классов центральности Измерение инклюзивных спектров 0 и - мезонов для событий тех же классов центральности Расчёт (Монте Карло) инклюзивных спектров фотонов от радиационных распадов 0, - мезонов и других долгоживущих резонансов Спектр прямых фотонов находится как разность измеренных и рассчитанных инклюзивных спектров фотонов Основная трудность – очень большой, принципиально неустранимый, фон фотонов от распадов долгоживущих резонансов (90% - от распадов 0 – мезонов)

11 LINC-2005 РНЦ «Курчатовский Институт» в эксперименте WA98 в ЦЕРН Извлечение сигнала 0 мезона Метод смешанных событий Спектр инвариантных масс пар фотонов из одного и того же события Спектр инвариантных масс пар фотонов из разных событий Сигнал 1%

12 LINC-2005 Обнаружение прямых фотонов в центральных столкновениях Pb-Pb в эксперименте WA98 WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 3595 Сигнал прямых фотонов в инклюзивном спектре фотонов из центральных столкновений Pb-Pb при энергии s = 17 ГэВ/NN Периферические столкновенияЦентральные столкновения Периферические столкновения Центральные столкновения Впервые обнаружены прямые фотоны в столкновениях ультрарелятивистских ядер. Для центральных столкновениях Pb-Pb в инклюзивном спектре фотонов наблюдается чёткий сигнал прямых фотонов в интервале поперечных импульсов p T > 1.5 ГэВ/с

13 LINC-2005 Спектр прямых фотонов WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 85 (2000)3595 Сигнал тепловых фотонов ?

14 LINC-2005 Эксперимент WA98 Интерферометрия прямых фотонов WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett (2004) ~ 2·10 -3 Q inv = |p 1 -p 2 | C 2 (Q inv )=N real (Q inv )/N mix (Q inv ) Корреляционные функции пар фотонов из центральных столкновений Pb-Pb при энергии s = 17ГэВ/NN C 2 (Q inv ) = A(1 + exp(-R 2 inv Q 2 inv )) K T = (1/2)(p T (1) + p T (2) )

15 LINC-2005 C 2 (Q inv ) =1 + /(4 ) do exp{ - Q inv 2 (R s 2 sin 2 sin 2 + R l 2 sin 2 cos 2 ) - (Q inv 2 + 4K T 2 )cos 2 R o 2 } Эксперимент WA98 Инвариантные радиусы WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett (2004) R R long R side R inv = f(R s,R l ) inv = Erf(2K T R o ) 2K T R o (for massless particles!) Pion correlation radii: WA98collaboration, Phys. Rev. C67 (2003)

16 LINC-2005 Спектр прямых фотонов WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett (2004) Subtraction method, upper limit Correlation method: Subtraction method Predictions hadronic gas QGP sum pQCD Predictions: S. Turbide, R. Rapp, and C. Gale, Phys. Rev. C 69(014902), N dir = N total 2 inv = Erf(2K T R o ) 2K T R o Most probable yield (R o =6 fm) The lowest yield (R o =0) T in ~ 250 MeV

17 LINC-2005 RHIC: Relativistic Heavy Ion Collider окружность: 3,83 км 2 независимых кольца 6 пересечений, 4 эксперимента: Максимальная энергия в нуклон- нуклонной системе центра масс 200 ГэВ для Au-Au 500 ГэВ для p+p Пучки: Au+Au, s NN =200 GeV, s NN = 130 GeV, s NN = 19.6 GeV p+p, s NN = 200 GeV d+Au s NN = 200 GeV

18 LINC-2005 Two central arms for measuring hadrons, photons and electrons Two forward arms for measuring muons Event characterization detectors in middle Эксперимент PHENIX Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment

19 LINC стран, 57 институтов

20 LINC-2005 Электромагнитный калориметр эксперимента PHENIX PbGl (LEDA) 9216 модулей из свинцового стекла ТФ1 с фотоумножителями ФЭУ-84 Размеры модуля: 4 см x 4 см x 40 см PbSc модулей свиней-сцинтиллятор с фотоумножителями ФЭУ-115М Размеры модуля: 5.5 cm x 5.5 cm x 37 cm Сравнение результатов, полученных двумя разными технологиями - очень важно для оценок систематических ошибок. Калориметр LEDA по завершении измерений в эксперименте WA98 в ЦЕРН стал одним из ключевых детекторов эксперимента PHENIX

21 LINC-2005 Обнаружение подавления выходов 0 – мезонов в центральных столкновениях Au-Au PHENIX Collaboration, Phys. Rev. Lett. 88 (2002) Первое наблюдение сильного подавления выхода нейтральных пионов с высокими поперечными импульсами в центральных столкновениях Au-Au. PRL 88 (2002) PHENIX Подавление выходов адронов с высокими импульсами, вызванное явлением гашения струй в горячей плотной среде. X. N. Wang and M. Gyulassy, Phys. Rev. Lett. 68 (1992) 1480 Гашение струй=QGP или эффекты начальной фазы ??

22 LINC-2005 Обнаружение прямых фотонов в столкновениях Au+Au при энергии s = 200 ГэВ/NN Сигналы прямых фотонов для разных классов центральности: ( / 0 ) meas ( / 0 ) back vs p T Выходы прямых фотонов для разных классов центральности R AA (p T > 6.0 GeV/c) в зависимости от класса центральности 0 Для получения тепловых фотонов необходимо уменьшить систематическую ошибку

23 LINC-2005 Предсказания по выходу прямых фотонов для эксперимента PHENIX D.d'Enterria and D.Peressounko, nucl-th/

24 LINC-2005 Заключение Исследования свойств экстремально возбуждённой материи в столкновениях ядер сверхвысоких энергий представляют собой одно из ключевых направлений программы фундаментальных исследований Российского научного центра «Курчатовский Инстиут». Эти исследования базируются на уникальных ускорительных установках Европейской Организации Ядерных Исседований (ЦЕРН) и Брукхейвенской национальной лаборатории в США в рамках международных мегапроектов.

25 LINC-2005 Результаты эксперимента WA98 на ускорителе SPS в ЦЕРН PRL 85 (2000)3595, PRL 93(2004) Впервые обнаружены сигналы излучения прямых фотонов в столкновениях ядер сверхвысоких энергий. В инклюзивных спектрах фотонов, испускаемых в центральных столкновениях Pb-Pb при энергии s = 17 GeV/NN В распределениях пар фотонов, испускаемых в центральных столкновениях Pb-Pb при энергии s = 17 GeV/NN, по их относительному 4-импульсу (корреляции Ханбери-Брауна и Твисса) Впервые получена оценка начальной температуры термализованного сгустка, образующегося в результате столкновения, ~ 250 МэВ.

26 LINC-2005 Результаты эксперимента PHENIX на коллайдере RHIC в БНЛ Получены выходы прямых фотонов в реакции Au + Au. Для Pt > 3 ГэВ выход фотонов совпадает с рQCD теорией (бинарный скейлинг ~ 1) Сигнал от тепловых фотонов пока не наблюдался. Требуется дополнительный анализ с целью улучшения точности.

27 LINC-2005 BACKUP SLIDES

28 LINC-2005 Сравнение теории с данными эксперимента PHENIX Calculations with similar initial time (temperature) result in similar spectra. Dependence on used emission rates and details of description of evolution is modest. All calculations predict considerable thermal contribution below 3 GeV All calculations agree with data within errors.

29 LINC-2005 Классы центральности Centrality selection : Sum of Beam- Beam Counter (BBC, | |=3~4) and energy of Zero- degree calorimeter (ZDC) Extracted N coll and N part based on Glauber model. Spectators Participants 0-5% 5-10% 10-15% Peripheral Central

30 LINC-2005 ( )measured / ( )simulated : Peripheral PbGl and PbSc consistent with no excess in peripheral

31 LINC-2005 ( )measured / ( )simulated : Central No photon excess seen within errors Working on better understanding of systematics 1 systematic errors

32 LINC-2005 Why Photon (p+p) ? Photon in p+p is a good probe for the parton structure. Leading process Higher order Bremsstrahlung Process Why RHIC? –RHIC provides the highest energy as p+p collisions. Very unique As a basic for gluon spin measurement in the future. A reference for d+Au and Au+Au. + Higher Order et.al. annihillation compton Photon in p+p is a testing ground of pQCD

33 LINC-2005 Why Photon (Au+Au)? Photon source –pQCD photons Compton Annihilation Bremsstrahlung –Photons from jet quenching –Thermal photons From hadron GAS From QGP PRC69(2004)014903, Turbide, Rapp, Gale Realistic Calculation Thermal photon is a good probe for QGP temperature Target 1-3GeV

34 LINC-2005 Conclusion p+p collisions –NLO pQCD calculation can describe our data Sum of direct part and fragmentation part. –Fit in xT scaling with other experiment d+Au collisions –comparison with NLO-pQCD Result in d+Au collisions is consistent with the binary-scaled NLO-pQCD calculation. –Nuclear Modification Factor Consistent with 1 No modification within the errors Prompt photon production in d+Au can be described as binary scaling Result is consistent with 0

35 LINC-2005 Strategy of Isolation Method R E What is the efficiency by this cut for signal 1)&2) Next slide Isolation cut to reduce background (2)Signal (fragmentation) (3)Background (hadron decay) (1)Signal (direct) compton + annihilation hadron photon jet photon

36 LINC-2005 Conclusion Au+Au collisions. –High pT photon Binary Scaling and pQCD calculation –Consistent with 1 No modification within the errors Support jet quenching scenario observed as pion suppression –No thermal photon signal yet. Were analyzing the run4 Au+Au data. Plan to have the preliminary result.

37 LINC-2005 Result Two methods –Subtraction method –isolation method To be smaller by 20-40% They are not different as we expected from pQCD calculation Rjection for fragmentation photon Is not perfect or Most of measured photon are From direct process (compton, annihilation, or NLO)

38 LINC-2005 PbGl EM Calorimeter Lead Glass calorimeter Lead Glass 40x40x400mm used at WA98 exp. 4x6 towers = 1 super module 15*12 super module = 1 sector PbGl sector 2.1m x 3.9m

39 LINC-2005 PbSc EM Calorimeter Sandwich type calorimeter Lead plates 55.2x55.2x1.5mm Scintillator plates 110.4x110.4x4mm Shish-kebab geometry wave shifter fiber readout 6x6 fibers 1 PMT = 1 tower 2 x 2 towers = 1 module 6 x 6 module = 1 super module 6 x 3 super module = 1 sector PbSc sector 2.0m x 4.0m

40 LINC-2005 Analysis Procedure (I) 1.Start with all photons 2.in a given p T bin -Tagging: Determine number of photons in this bin which form inv. mass in range with any other hit Subtract combinatorial background 4.Correct for tagging efficiency and contribution from,, 5. Tagging efficiency from Monte Carlo simulation Contribution from,,,… N all : Number of inclusive in a given p T bin

41 LINC-2005 Isolation Cut (I) Isolation cut should remove contribution from bremsstrahlung Difficult to determine the efficiency of the isolation cut R E Isolation cut in this analysis direct brems. NLO pQCD calculation by W. Vogelsang (p+p at s=200 GeV)

42 LINC-2005 Why Direct Photons? (II) A+A collisions –Photons dont strongly interact with fireball –Carry information about early stage of collision –QGP potentially detectable via thermal photon radiation –Thermal photons dominantly from early, hot QGP phase: initial temperature –Direct Photons at high p T Allow test of N coll scaling for hard processes Important for interpretation of high-p T hadron suppression at RHIC

43 LINC-2005 Realistic Calculation Window for thermal photons from QGP in this calculation: p T = GeV/c Turbide, Rapp, Gale, Phys. Rev. C 69 (014903), 2004

44 LINC-2005 Measurement of Direct Photons Get clean inclusive-photon sample –e.g. subtraction of charged particle background Measure p T spectrum of and mesons with high accuracy Calculate number of decay photons per –Usually with Monte-Carlo –m T scaling for,, … Finally: Subtract decay background from inclusive photon spectrum Handy formula:

45 LINC-2005 Cancellation of Systematic Errors Systematic errors (e.g. energy scale non-linearity) partially cancel in this ratio

46 LINC-2005 Direct Photon Production in p+p: Hard Scattering Processes in perturbative QCD –Compton: –Annihilation: –Bremsstrahlung Typically 20-30% uncertainty in pQCD calculations related to choice of scales LO Compton Annihilation Bremsstrahlung