Физика столкновений тяжелых ионов

Содержание
Введение
Фазовые переходы в сжатой
и нагретой ядерной материи
Пространственно-временная
картина АА взаимодействий
Уроки RHIC
Столкновения тяжелых ионов на LHC
Ультрапериферические столкновения на LHC
Заключение

плотность энергии как
функция температуры
фазовая диаграмма
состояния адронной материи
Фазовые переходы в сжатой и нагретой ядерной материи

Пространственно-временная картина
ядро-ядерных взаимодействий
197Au 197Au

Сигналы нового состояния вещества
Жесткие сигналы
мягкие (адроны)
(коллективные течения,
корреляции, выходы
странных частиц)
жесткие сигналы («реликтовое излучение»)
(e+e-, γ, γγ, струи, J/ψ подавление)
1. Дилептоны
SPS
RHIC
Вывод: новый механизм генерации дилептонов на ранней стадии
(кварк-антикварковая аннигиляция, восстановление киральной симметрии)

прямые фотоны
КГП на RHIC
D. d’Enterria, D. Perresounko
nucl-th/0503054
thermal
prompt
DATA = prompt + thermal

4. Струи
qq → qq
струя адронов
Струя в адронной среде
q
q
g
q
q
g
g
…
AA
pp
— “jet quenching”
— выход
подавлен
— дебаевский радиус экранирования

Корреляция подавления J/ψ и увеличения выхода странных частиц

Струи в Au+Au и d+Au и p+p
нет подавления в p+p и d+Au
“in” и “out” струи
подавляются по разному!

Адронные пробники нового состояния вещества
Коллективное течение
— азимутальный угол
— коэффициент Фурье
b<7 fm (nch/nmax>0.5)
p⊥<1.5 ГэВ — гидродинамика
(отношение числа
валентных кварков)
v2 описывается течением кварков и глюонов с очень малой вязкостью
гидродинамика
гидродинамика нарушена для

The ATLAS detector
Length 44m
Height 22m

ATLAS physics program
Global variable measurement
dN/dη dET/dη elliptic flow
azimuthal distributions
Jet measurement and jet quenching
Quarkonia suppression
J/Ψ ϒ
p-A physics
Ultra-Peripheral Collisions (UPC)
Idea: take full advantage of the large calorimeter and μ-spectrometer
Direct information
from QGP

Acceptance

A few key numbers and maybe a plot.
~ 8,000 collisions per second
luminosity ~ 10^27 cm-2s-1
1 month is 10^6 seconds
implies possible samping of 10^10 min bias and 10^9 central Pb-Pb events.
5 bbar per central event.
Direct photons -->
With central barrel in one month running for central events:
1e3 counts at 60 GeV in 1 GeV pt bin!
Jets -->
B Jets-->
ATLAS Physics Rates

Color screening prevents various ψ, ϒ, χ states to be formed when T→Ttrans to QGP (color screening length < size of resonance)
Quarkonia suppression
Modification of the potential can be studied by a systematic measurement of heavy quarkonia states characterized by different binding energies and dissociation temperatures
~thermometer for the plasma
Upsilon family ϒ(1s) ϒ(2s) ϒ(3s)
Binding energies (GeV) 1.1 0.54 0.2
Dissociation at the temperature ~2.5Ttrans ~0.9Ttrans ~0.7Ttrans
=>Important to separate ϒ(1s) and ϒ(2s)

Ultraperipheral collisions
The two nuclei geometrically “miss” each other
b > 2RA
Ions are source of fields
photons sgg ~ Z4
pomerons sgp ~ Z2A2 – for ‘heavy’ states
sgp ~ Z2A5/3 - for lighter mesons
Photon and pomeron can couple coherently to the nuclei if its have:
Small transverse momentum:
pT < h/RA~ 90 MeV
Maximum longitudinal component pL < gh/RA ~ 100 GeV
Pomeron carry the strong interaction but is colorless and it has
the quantum number of the vacuum JP = 0++
Eγ ~ 3 (80) GeV at RHIC (LHC)
Wγγ ~ 6 (160) GeV at RHIC (LHC)

Vector mesons production (photon-pomeron interaction)
σ(AA->AAY) = 150 mb
L = 4*1026 cm-2s-1, H = 0.06 Hz, Br(Y->mm) = 2.48% => ~1500 Y/month (month ~ 106 sec)
Vector meson production
r, w, F, J/Y ,Y

AuAu -> ρ0Au*Au* 200 GeV
Signal region: pT<0.15 GeV
ρ0 Rapidity
After detector
simulation
1.7 million ZDC coincidence triggers in 2002
Require a 2 track vertex
p+p+ and p-p- model background
scaled up to 2
single (1n) and multiple (Xn) neutron production
1n mostly from Giant Dipole Resonance
Cross section and rapidity distribution match soft Pomeron model
STAR Preliminary

Interference
2 indistinguishable possibilities
Interference!!
2-source interferometer
with separation b
ρ is negative parity
For pp, AA parity transform ->
σ ~ |A1 - A2eip·b|2
At y=0 σ=σ0[1 - cos(p⋅b)]
For pbar p: CP transform ->
σ ~ |A1 + A2eip·b|2
b is unknown
Reduction for pT <<1/
ρ0 w/ mutual Coulomb dissoc.
0.1< |y| < 0.6
t (GeV/c)2
dN/dt
int
noint

Interference
Efficiency corrected t
1764 events total
R(t) = Int(t)/Noint(t)
Fit with polynomial
dN/dt =A*exp(-bt)[1+c(R(t)-1)]
A is overall normalization
b is slope of nuclear form factor
b = 301 +/- 14 GeV-2 304 +/- 15 GeV-2
syst. uncertainties: ±8(syst)±15%(theory)
c=0 -- > no interference
c=1 -- > “full” interference
Data and interference model match
c = 1.01 +/- 0.08 0.78 +/- 0.13
dN/dt
dN/dt
STAR
Preliminary
STAR
Preliminary
Data (w/ fit)
Noint
Int
Data (w/ fit)
Noint
Int
t (GeV2)
t (GeV2)
0.1 < |y| < 0.5
0.5 < |y| < 1.0
AuAu -> r0Au*Au* 200 GeV

Types of trigger
Topology trigger + ZDCs (r0 in TPC + signals in forward (zero degree calorimeters)
Topology trigger + West ZDC: Au+d->rAu+pn
required break up d
Topology trigger + both ZDC: Au+Au->rAuAu+Xn
Backgrounds
peripheral hadronic events
cosmic rays, beam gas interactions, pile-up
ZDC-West
ZDC-East
CTB-topology

Y–> μ+μ- (CombinedMuon)
MUID
|eta|<2.5
530 Y/month