CERN, 11 октября 2013 г. ФИЗИКА КВАРК-ГЛЮОННОЙ ПЛАЗМЫ в ALICE QGP

Краткое введение Краткая хронология развития представлений о структуре вещества. Представления о структуре вещества сегодня Кварк-глюонная плазма Столкновения ядер – единственный способ получать и исследовать кварк – глюонную плазму в земных условиях. Ускорительные установки для исследования столкновений ядер – ускорители, коллайдеры. Европейский Центр Ядерных Исследований (ЦЕРН) Брукхейвенская национальная лаборатори в США Современные эксперименты по исследованию свойств кварк – глюонной плазмы Организация экспериментов – крупные международные объединения учёных Супердетекторы Мегаэксперимент ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Некоторые результаты Заключение План лекции

Физика кварк-глюонной плазмы – новая область физики, испытывающая стремительное развитие за последние 30 лет. Фактически она объединяет ядерную физику, физику элементарных частиц, астрофизику и космологию. Исследования по физике кварк-глюонной плазмы направлены на решение фундаментальной научной задачи современной науки – объяснить структуру, происхождение и эволюцию барионной материи Вселенной, которая составляет основу вещества звёзд, планет и живых существ. Предмет физики кварк-глюонной плазмы Место в современной физике Главная научная цель

Некоторые сведения QGP Связь между массой и энергией E = mc 2 Массы измеряются в энергетических единицах, делённых на квадрат скорости света, эВ/с 2 (МэВ/с 2 ) Релятивистское сокращение длины l = l 0 (1- 2 ) = v/c Релятивистское увеличение массы m = m 0 / (1- 2 ) Единица энергии: Электрон-вольт (эВ)– энергия, приобретаемая зарядом 1e (e -заряд электрона) при прохождении разности потенциалов в 1 вольт 1000 эВ 1 КэВ, 10 6 эВ 1 МэВ, 10 9 эВ 1 ГэВ 1 эВ = джоулей 100 о С = эВ Единица длины: 1 фм = см Коллайдер – ускоритель со встречными пучками.

XVIII -Химические элементы Лавуазье, XIX векатомы, молекулы Дальтон Гей-Люссак, Авогадро 1869 г.Периодическая системаД. И. Менделеев элементов 1897Катодные корпускулы Дж.Дж. Томсон электроны первая элементарная частица ионы 1909Заряд электронаР. Милликен первый элементарный заряд 1911Атомное ядроЭ. Резерфорд 1913Модель атомаН. Бор Представления о структуре вещества (краткая хронология)

1905Теория относительностиА. Эйнштейн 1919Изотопы Астон 1928Предсказание существованияП. Дирак позитрона (антиэлектрона) 1932Открытие позитрона Андерсон первая античастица 1931Предсказание нейтриноВ. Паули 1956Обнаружение нейтрино Рейнес и в эксперименте Коуэн 1932Открытие нейтрона Чэдвик 1932Протон – нейтронноеВ. Гейзенберг строение атомного ядра Представления о структуре вещества (краткая хронология)

1936Открытие мюона Андерсон Неддермейер 1946Открытие пиона Пауэлл 1947 Первое наблюдение каона Рочестер Батлер 1955Открытие антипротона Сегре, первая тяжёлая античастица Чемберлен. Ипсилантис Начало Около 30 элементарных частиц 60-х годовоткрыто В настоящее время известно около 5000 резонансов 1964 Гипотеза кварков Гелл-Манн, Цвейг Представления о структуре вещества (краткая хронология)

Фундаментальные силы (поля, взаимодействия) Взаимодействие ПереносчикиОбъекты, процессы Гравитационное ГравитоныВселенная притяжение тел Электромагнитное Фотоны Атомы, молекулы (кванты)электромагнетизм, свет СлабоеW, W, Z 0 Элементарные частицы - распад ядер, мюона Сильное Глюоны (glue)Ядерные частицы деление и синтез ядер

Лептоны Лептоны - элементарные частицы, испытывающие только электромагнитное и слабое взаимодействия 3 поколения, 6 частиц и столько же античастиц Электрон ( e )Электронное нейтрино ( e ) Масса M = MeV/c 2 Масса 0 - распад ядер, Солнце ======================================================= Мюон ( ) – аналог электрона Мюонное нейтрино ( ) Масса 106 MeV/c 2 Масса 0 Время жизни секрождение и распад мюона Тау ( ) – аналог электрона Тау нейтрино ( ) Масса 1777 MeV/c 2 Масса 0 Время жизни секрождение и распад тау Окружающий мир Большой Взрыв, космос, ускорители ========= Электрический заряд

Кварки Кварки - элементарные частицы, испытывающие сильное (цветовое) взаимодействие 3 поколения, 6 ароматов, 3 цветовых заряда (красный, синий, зелёный) всего 18 кварков и столько же антикварков 2/3 1/ u - кварк (up)d - кварк (down) Масса M 3 MeV/c 2 Масса 6 MeV/c 2 ======================================================= c – кварк (charm)s – кварк (strange) Масса 1300 MeV/c 2 Масса 100 MeV/c 2 t – кварк (top) b – кварк (beauty) Масса MeV/c 2 Масса 4300 MeV/c 2 Окружающий мир Большой Взрыв, космос, ускорители ========= Электрический заряд

Планетная система Центр – тяжёлое атомное ядра, несущее положительный заряд Вокруг – электроны Характерный размер электронных орбит 10 8 см Атомы

Атомное ядро Ядра атомов всех элементов состоят из протонов и нейтронов Изотопы – одинаковое число протонов, разное число нейтронов протон нейтрон 82 протона, 126 нейтронов Протон Масса МэВ/с 2 Заряд 1 Время жизни стабилен Ядро атома водорода Нейтрон Масса МэВ/с 2 Заряд 0 Время жизни сек Протон, нейтрон нуклон Радиус 7.5 фм

Ядерная материя Все ядра имеют одну и ту же плотность 0 = /фм 3 - плотность частиц 0 = 0.14 ГэВ/фм 3 – плотность энергии (массы) 0 = тонн/мм плотности центральной области Солнца (100 г/см 3 ) Все ядра имеют нулевую температуру Т 0 = 0 Все ядра – почти пустые среднее расстояние между нуклонами в 3 раза больше их размера Размеры масштаб фм (10 13 см) радиус ядра свинца 7.5 фм

Адроны Адроны частицы, испытывающие сильное взаимодействие Нуклоны протоны и нейтроны барионы Пионы,, 0 (масса 140 МэВ/с 2 ) мезоны Барионы всего более 100 Мезоны всего более 150 Характерный размер 0.5 фм

Структура адронов Все адроны состоят из кварков, антикварков и глюонов. Барион 3 разноцветных кварка ( нейтрон udd, протон uud ) Мезон кварк-антикварк Все адроны бесцветны Адрон не несёт цветового заряда протон Валентные кварки, виртуальные кварки Размер 0.5 фм

Пленение (confinement) кварков Цветовое взаимодействие возрастает с увеличением расстояния (Нобелевская премия по физике 2004 г.) Кварки и глюоны заперты в адронах. Вакуум – не пустота Адронизация выбитых из адронов свободных кварков и глюонов адронные струи (jet) Кварки в свободном состоянии не обнаружены р + р 2 jets

КВАРК-ГЛЮОННАЯ ПЛАЗМА (QGP) QGP Кварк-Глюонная Плазма (QGP) E.Shuryak, Phys. Rep. 61(1979)71; с тех пор более 1000 публикаций Экстремально возбуждённая материя из свободных кварков, антикварков и глюонов Критическая плотность энертии ~2 GeV/fm 3 (~ t/mm 3 ) ~ S ( S – плотность центральной области Солнца) Критическая температура T cr ~200MeV (~ o K) ~ T S (T S – температура центральной области Солнца) Фазовая диаграмма материи, состоящей из сильно взаимодействующих частиц

Кварк-глюонная плазма характеризуется экстремально высокой плотностью энергии (экстремально высокой температурой), которая превышает некоторое критическое значение: критическая плотность энергии 1ГэВ/фм t/cm плотности центральной области Солнца (100 g/cm 3 ) критическая температура 200 МэВ o K ~ 10 5 T S (температура центральной области Солнца = o K) Современная теория ядерной материи (QCD - квантовая хромодинамика) предсказывает, что выше этой критической температуры свойства материи резко изменяются, происходит фазовый переход в новое состояние, совершенно отличающееся от обычного.

В обычном состоянии сильно-взаимодействующая материя при высокой температуре ниже критической представляет собой газ из адронов - барионов и мезонов. Адроны сами имеют структуру – они состоят из истинно элементарных сильно-взаимодействующих частиц – кварков и глюонов, которые не могут существовать как свободные частицы, а заключены внутри адронов. При повышении температуры выше критической положение радикально меняется: происходит процесс, в некотором смысле подобный плавлению, - адронной материи более не существует, а возникает материя, состоящая из свободных кварков и глюонов. Такие высокие температуры характерны для Вселенной в первые мгновения после Большого Взрыва. В эти мгновения она состояла именно из такой материи. Это длилось 10 5 сек.

КВАРК-ГЛЮОННАЯ ПЛАЗМА В ПРИРОДЕ QGP Ранняя Вселенная ~10 -5 sec после Большого Взрыва Ядра нейтронных звёзд в момент их коллапса

Хронология Вселенной

QGP. Центральное столкновение двух ядер сверхвысокой энергии микроскопический Большой Взрыв Столкновение ядер сверхвысокой энергии единственный способ создать в лаборатории на Земле сгусток QGP J.D.Bjorken, Phys. Rev. D 27 (1983) 140 Начальная фаза жёсткие столкновения, резкий рост плотности энергии и энтропии, образование сгустка экстремально возбуждённой материи, установление равновесия, фазовый переход в QGP (при условии превышения критической плотности энергии). Фаза эволюции сгустка расширение и охлаждение сгустка, обратный переход из QGP в адронную материю Конечная фаза размеры сгустка больше длины свободного пробега, разлёт частиц сгустка

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,…

Хронология развития экспериментальной физики кварк-глюонной материи QGP. Начало 70- х годов Синхрофазотрон в Дубне ( 12 C 3.6 ГэВ/нуклон) Бевалак (Bevatron+HILAC) в Беркли ( 12 C, 16 O 2 ГэВ/нуклон) Середина 80-х Ускоритель AGS в БНЛ ( 28 Si 15 ГэВ/нуклон) 1987 г Начало ядерной программы на ускорителе SPS в ЦЕРН ( 208 Pb 160 ГэВ/нуклон) 1989 г. Комплекс SIS GSI (2 ГэВ/нуклон) 2000 Ядерный коллайдер RHIC (Au ГэВ/нуклон) 2009 Коллайдер LHC ( 208 Pb ГэВ/нуклон)

Ускорители ядер сверхвысоких энергий QGP. SPS (ЦЕРН) RHIC (БНЛ) LHC (ЦЕРН) s 17 GeV/NN 200 GeV/NN2760 GeV/NN s – энергия в системе центра масс( 5500 с 2015 г.) Синхротрон SPS в ЦЕРН (Super Proton Synchrotron) Программа экспериментов выполнялась в гг. Коллайдер RHIC в БНЛ, США (Relativistic Heavy Ion Collider) Эксперименты идут с 2000 г. Коллайдер LHC в ЦЕРН (Large Hadron Collider – Большой Адронный Коллайдер) Запущен в сентябре 2009 г. Гигантские детекторные системы Организация экспериментов крупные международные проекты.

Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) Женева LHC окружность 27 км SPS PS Женевское озеро аэропорт Юра глубина 100 м

Брукхейвенская национальная лаборатория США, Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк Окружность 3.83 км RHIC Relativistic Heavy Ion Collider AGS booster tandem

Международный проект ALICE на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН QGP 36 стран 131 институт 1200 участников ALICE –имеет целью изучение процессов образования, эволюции и свойств кварк- глюонной материи – состояния вещества, из которого состояла Вселенная спустя несколько мгновений после своего возникновения (Большого Взрыва). Эксперимент ALICE проводится международной коллаборацией более 1200 исследователей из 131 институтов 36 стран мира.

12 стран, 57 институтов на коллайдере RHIC в БНЛ

Характеристики ядро-ядерных столкновений Огромная множественность рождённых частиц тысячи вторичных частиц адроны ( самые разные мезоны, барионы, долгоживущие, короткоживущие) лептоны (e, e +,, + ) фотоны Широкие диапазоны поперечных импульсов рождённых частиц 0.5 GeV/c p T 100 GeV/c soft processes (p T 2 GeV/c) hard processes (p T 2 GeV/c) Классы центральности различаются числами нуклонов-участников и нуклонов-наблюдателей различаются числами парных нуклон-нуклонных взаимодействий различаются множественностями рождённых частиц Корреляции рождённых частиц распады нестабильных частиц коллективные движения (потоки) квантовые корреляции (Бозе-Эйнштейновские, или Ханбери-Брауна – Твисса)

Характеристики ядро-ядерных столкновений Периферическое столкновение Центральное (лобовое) столкновение Нуклоны – участники (participants) Нуклоны – наблюдатели (spectators) Плоскость реакции zx Ось z – по направлению столкновения Коллективные потоки Азимутальная анизотропия в плоскости xy b – параметр столкновения

Измеряемые величины Глобальные характеристики столкновения множественность рождённых частиц на единичный интервал быстроты распределение множественности по быстроте суммарная поперечная энергия класс центральности плоскость реакции Спектры рождённых частиц по поперечному импульсу Спектры неидентифицированных заряженных частиц Спектры идентифицированных заряженных адронов Спектры идентифицированных нейтральных адронов Спектры резонансов Спектры фотонов Спектры лептонных пар (дилептонов) Струи (Jets) Спектры струй по суммарному поперечному импульсу Корреляции hadron - jet Корреляции - jet Коллективные потоки эллиптические потоки более высокие гармоники Размеры излучающих систем (фемтоскопия) квантовые корреляции (Бозе-Эйнштейновские, или Ханбери-Брауна – Твисса)

Основные детекторные системы Трековые системы для измерения заряженных частиц магнитное поле p = Ze BR координатные детекторы системы идентификации заряженных частиц Калориметры Электромагнитные калориметры Адронные калориметры Мюонные системы Системы для определения классов центральности Системы для определения координаты точки столкновения (vertex) Триггерные системы

Схема регистрации долгоживущих частиц

Схема экспериментальной установки для коллайдера ALICE ATLAS CMSPHENIX

Методы идентификации долгоживущих заряженных частиц Удельные потери энергии, сопоставленные с полной энергией или импульсом метод ΔE – E (dE/dx – E, dE/dx – p) Время пролёта (т.е. скорость), сопоставленное с импульсом или энергией метод TOF (E – t, E – β, p – β, p – t) Определение скорости по черенковскому излучению метод p – β (угол черенковского излучения) Идентификация электронов по переходному излучению метод p – наличие переходного излучения Идентификация мюонов по большому пробегу p – большой пробег e ±, μ ±, π ±, K ±, p, анти p, d, анти d, t, анти t, He, антиHe, более тяжёлые ионы

Эксперимент ALICE на Большом адронном коллайдере Трековая система Магнит L3 Внутренний трекер ITS Время-проекционная камераTPC Детекторы PID TOF TRD HMPID Калориметры PHOS EMCAL ZDC Мюонная система Магнит Трековые камеры Триггерные камеры Триггерные детекторы T0 V0

ALICE Магнитный соленоид ( ALICE SSD ALICE TPC ALICE PHOS module ALICE EMCAL

ALICE TOF + dE/dx(TPC)

0 (1020) K K Инвариантная масса двух частиц m 12 = | p 1 + p 2 | = [(E 1 + E 2 ) 2 – (p 1 + p 2 ) 2 ] ½ = [m m (E 1 E 2 – p 1 p 2 ×cosθ)]½ Инвариантная масса двух фотонов M γ1γ2 = [2E γ1 E γ2 (1 – cosθ)]½ = 2[E γ1 E γ2 ] ½ ×sin(θ/2) Идентификация короткоживущих частиц По инвариантной массе продуктов распада (u, anti-u, d, anti-d) (u, anti-u, d, anti-d, s, anti-s)

Извлечение слабых сигналов Извлечение сигнала 0 мезона Сигнал 1%

Physics ALICE papers from Pb – Pb (2010 – 2011) Multiplicity Collision energy dependenceCentrality dependence PRL 105 (2010) PRL 106 (2010) p-p s NN 0.11 A-A s NN 0.15 similar trend as at RHIC Collective flow, v 2 PRL 105 (2010) (1+0.3)v 2 RHIC Jet quenching via hadron suppression PLB 696 (2011) 30 Source dimensions PLB 696 (2010) 328 larger volumelarger lifetime

Краткий обзор главных физических результатов экспериментальных исследований по физике кварк-глюонной материи за прошедшее десятилетие Открытие эффекта гашения партонных струй потери энергии партонов в цветной среде Открытие коллективного движения партонной материи кварк-глюонная материя, образующаяся при достигнутых на сегодня энергиях столкновений, имеет свойства не газа, а почти идеальной жидкости с вязкостью, близкой к нулю. Прямые измерения температуры по фотонному излучению сгустка температура начального сгустка превышает 200 МэВ.

Взаимодействие струи с веществом pTpT E loss В случае спадающего спектра потери энергии выглядят как подавление выхода жестких частиц. dN/dp T

Фактор ядерной модификации Наглядная переменная, единица, в случае независимых NN столкновений, меньше единицы в случае подавления Зависит не только от потери энергии, но и от формы спектра Зависит от начальных эффектов (модификация PDF в ядре, изоспиновые эффекты (,Z)...)

Открытие образования нового состояния материи в столкновениях ядер PHENIX Collaboration, Phys.Rev. Lett. 91 (2003) d+Au Au+Au Сравнение результатов Au-Au c d-Au свидетельствуют об образовании в Au-Au столкновениях горячей плотной среды – нового состояния материи. d - Au Au - Au

Подавление выхода неидентифицированных заряженных частиц Phys. Let. B, 696, (2011), p.30. Подавление выхода заряженных адронов на LHC ~1.5 раз сильнее, чем при энергии RHIC.

Коллективные эллиптические потоки Коллективные потоки фотонов ( пионов) в Pb-Pb столкновениях That systematic study of hadron spectra and flow results indicated that existing data are best reproduced by hydrodynamic model calculations which an equation of state which includes a transition to a quark gluon plasma phase at a critical temperature of T c = 165 MeV with a latent heat of 800 MeV. WA98 Collaboration, Nucl. Phys A 762(2005)129 Плоскость реакции X Z Y PxPx PyPy PzPz

Эллиптический поток в зависимости от энергии столкновения

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.

Спектр прямых фотонов WA98 Collaboration, Phys. Rev. Lett. 85 (2000)3595 Выход прямых фотонов выше, чем в случае простой комбинации нуклон – нуклонных столкновений

53 Рождение прямых фотонов ALICE p T < 2 ГэВ/c: ~20% избыток прямых фотонов p T > 4 ГэВ/c: согласуется с NLO предсказаниями для pp, умноженными на число N coll Фитирование экспонентой при p T < 2.2 ГэВ/c дает значение T = 304±51 МэВ для 0–40% Pb–Pb при s =2.76 ТэВ PHENIX: T = 221±19±19 МэВ для 0–20% Au–Au при s=200 ГэВ

Обнаружены надёжные свидетельства образования в столкновениях ядер сверхвысоких энергий нового состояния материи – сильно взаимодействующей партонной материи (состоящей из конституэнтных кварков). Эта партонная материя характеризуется очень высокой плотностью энергии. Оценка начальной плотности энергии, достигаемой в столкновениях Au-Au при энергии s = 200 ГэВ/NN 15 ГэВ/фм 3 Тепловое равновесие в образующемся сгустке партонной материи достигается на очень ранней стадии. Образующийся сгусток материи характеризуется очень высокой температурой 200 МэВ Результаты работ первого десятилетия SPS в ЦЕРН, RHIC в БНЛ, LHC в ЦЕРН

Результаты работ первого десятилетия SPS в ЦЕРН, RHIC в БНЛ, LHC в ЦЕРН Вопреки ожиданиям, партонная материя в этом состоянии ведёт себя не как идеальный газ из кварков и глюонов, не испытывающих сильного взаимодействия Оказалось, что партонная материя в этом состоянии ведёт себя как совершенная жидкость (perfect liquid) из испытывающих сильное взаимодействие кварков и глюонов (sQGP – strongly interacting Quark-Gluon plasma). Вязкость этой совершенной жидкости очень мала (близка к квантовому пределу). При энергии LHC эффекты кварк-глюонной материи сильнее, чем при энергии RHIC, и тем более SPS.

Заключение В настоящее время физика кварк-глюонной материи представляет собой одну из ключевых областей современной физики, объединяющую ядерную физику, физику элементарных частиц и космологию. Эта новая область физики переживает период стремительного развития, уже принесшего богатый урожай результатов фундаментального научного значения и обещающий ещё больше в ближайшие годы.