1 Femtoskopie s vícenásobně podivnými baryony na RHIC Petr Chaloupka MFF UK Ústav jaderné fyziky AV ČR, v. v. i.

Prezentace na téma: "1 Femtoskopie s vícenásobně podivnými baryony na RHIC Petr Chaloupka MFF UK Ústav jaderné fyziky AV ČR, v. v. i."— Transkript prezentace:

1 1 Femtoskopie s vícenásobně podivnými baryony na RHIC Petr Chaloupka MFF UK Ústav jaderné fyziky AV ČR, v. v. i

2 2 Obsah ● Úvod ● RHIC, STAR ● p-X korelace – Základní principy femtoskopie – Motivace pro měření s vícenásobně podivnými baryony – Výsledky – Srovnání s modelem HYDJET++ ● Závěry

3 3 Studium jaderné hmoty Kvantová Chromodynamika ● popis silně interagující hmoty na fundamentální úrovni ● dobře ověřena v perturbativním režimu ● malá znalost “emergentních” jevů ● Fázovy diagram QCD? Analogie s fyzikou pevných látek ● QED – fundamentální teorie ● Bohatá, dynamicky generovaná, struktura jevů ● Příklad: voda 15 fází, 16 trojných bodů, 2 kritické body

4 4 Studium jaderné hmoty Kvantová Chromodynamika ● popis silně interagující hmoty na fundamentální úrovni ● dobře ověřena v perturbativním režimu ● malá znalost “emergentních” jevů ● Fázovy diagram QCD? Alton: Nucl.Phys.Proc.Supl., 141:186-190, 2005

5 5 Fáze quark-gluonové plazmy 1973 Gross, Wilczek, Politzer: Asymptotická volnost v QCD

6 6 Fáze quark-gluonové plazmy 1973 Gross, Wilczek, Politzer: Asymptotická volnost v QCD Předpověd existence dekonfinovaného stavu hmoty s partonovými stupni volnosti při velkém tlaku a teplotě. 1978 Shuryak: “Quark Gluon Plasma”

7 7 Fáze quark-gluonové plazmy 1973 Gross, Wilczek, Politzer: Asymptotická volnost v QCD Předpověd existence dekonfinovaného stavu hmoty s partonovými stupni volnosti při velkém tlaku a teplotě. 1978 Shuryak: “Quark Gluon Plasma” Fázový přechod ● Předpovědi z lattice QCD ● Vlastnosti závisí na použitém počtu vůní a baryochemickém potenciálu Studená hmota:

8 8 Srážky těžkých jader ● Vytvoření termalizované hadronové hmoty na “makroskopické” škále v laboratoři – Vysoká počáteční hustota energie ~ 5 GeV/fm^3 – Dlouhožijící systém ~ 10 fm/c – Silně interagující => vznik termalizovaného systému – Možný přechod do QGP fáze

9 9 Relativistic Heavy Ion ColliderSTAR PHENIX PHOBOS BRAHMS 1.2km

10 10 STAR experiment~4m~4m ~4m~4m Over 1,200 tons

11 11 STAR experiment Plné azimutální pokrytí v 0.5T mag. poli Hlavní detektory TPC, SVT, FTPC a elektormagnetický kalorimetr. Optimalizován pro hadronické pozorovatelné a event-by-event fyziku TPC – rekonstrukce drah v mid-rapiditě |η|<1.8; identifikace pomocí ionizačních ztrát

12 12 Časoprostorový vývoj srážky Chemické vymrznutí (Tch) konec inelastických srážek Kinetické vymrznutí (Tfo < Tch) konec elastických srážek

13 13 Geometrie srážky Expanze systému: Vyšší Gradient tlaku ve směru reakční roviny vede k evoluci od eliptického ke kulovému tvaru x Rovina srážky z y Necentrální srážka x z y

14 14 Geometrie srážky Kolb, disertace,200 2 ● Netriviální časoprostorový vývoj – Typické pro relativistické srážky jader ● Závisí na: – Počáteční anisotropii – Době termalizace – Stavové rovnici – Existenci a druhu fázového přechodu – Délce života ● Porozumnění časoprostorovému vývoji je klíčové pro interprateci ostatních výsledků.

15 15 Dvoučásticová korelační femtoskopie ● Meření prostoročasových rozměrů zdroje v momentě emise – kinetického vymrznutí. ● Měření korelace dvou částic s malou rozdílnou hybností ● Vzniká v důsledku interakce v konečném stavu p1p1 p2p2 in pair rest frame dvoučásticová emisní funkce: pravděpodobnost emise dvou částic ve vdálenosti r* s relativní hybností k* -vlnová funkce popisující interakci (kvantová stat., Coulomb, silná int.)

16 16 Dvoučásticová korelační femtoskopie Dvoučásticová korelační funce: Experimentálně konstruovaná k.f. p dAu AuAu Dvoučásticová korelační funkce je citlivá k rozdělení vzdáleností emisních bodů částic.

17 17 Vliv transversální expanze Vliv transversální expanze na pozorovaný zdroj: – Korelace mezi hybností částice a místem emise – Měřená (efektivní) velikost zdroje se zmenšuje s m T – Střední bod emise se je posunut směrem k okraji celého systému ● Effekt roste s hmotností částice  emission region K emission region Použití korelací neidentických částic: – Testování struktury dynamicky vytvořené emisního zdroje – Ověření měření identických částic – Ověření konsistence měření pomocí různých FSI: QS, Coulomb, silná Relativní posun   K

18 18 p-X korelace ● Ověření příčného toku X – Velký rozdíl hmotností: velké efekty v emisní symetrii ● Ověření možných vlivů rozdílného kinetického vymrzání baryonů s vícenásobnou podivností – Lze pozorovat vliv možného brzkého vymrzání X na k.f. ? ● Produkce X*(1530) v konečném stavu

19 19 Kinetické vymrzání X TchTch ● Eliptický tok X a  stejný jako ostatní částice, X a  se účastní kolektivní expanze ● Rozdílný čas vymrzání X a  –  p : pozdní vymrzání, rozdíl mezi chemickým a kinetickým vymrznutím T kin ~100 MeV – X a  kinetické vymrznutí blízko chemickémuT kin = T ch ~ 160 MeV Baryony s vícenásobnou podivností se účastní kolektivní expanze systému i přesto, že neinteragují ve fázi hadronového plynu. To naznačuje, že k vývinu koletivního chování dochazí již na partové úrovni. Lze oveřit pomocí femtoskopických měření?

20 20 Data a výběr částic Dvě sady dat pro srážky Au+Au z roku 2004: ● √s NN = 200 GeV – 16M minimum bias + 10M central trigger ● √s NN = 62.4 GeV – 12.7M minimum bias Centralitní biny – Podle multiplicity nabitých částic v mid-rapiditě: – 0-10, 10-40, 40-80% totálního hadronického účinného průřezu

21 21 Data a výběr částic ● Topologická rekonstrukce  ±  p t ={1, 3} GeV/c =0.85    p ● Identifikace nabitých částic pomocí dE/dx v TPC  y={-0.8, 0.8} p t ={150, 800} MeV/c

22 22 Kontrukce korelační funkce Spektrum reálných párů získáno z jednotlivých případů Spektrum v jmenovateli získáno metodou “event-mixing”- každá částice pochází z jiného případu. Pouze případy s blízkou polohou hlavního vertexu, podobnou multiplicitou a blízkým úhlem reakční roviny jsou navzájem mixovány. Korelační funkce opravena na efekty souvisejíci s nedokonalostí detektoru a rekonstrukce: “track splitting, merging”. Provedena oprava na přítomnost neprimárních částic - “purity correction” Studován vliv přesnosti rekonstrukce hybnosti částic.

23 23 1D korelační funkce ● První měření femtoskopické korelační funkce s mnohonásobně podivným baryonem ● Efekty Coulombické and silné ( Ξ * 1530 ) interakce v koncovém stavu. ● První pozorování Ξ * 1530 ve srážkách těžkých iontů

24 24 1D korelační funkce ● První měření femtoskopické korelační funkce s mnohonásobně podivným baryonem ● Efekty Coulombické and silné ( Ξ * 1530 ) interakce v koncovém stavu. ● První pozorování Ξ * 1530 ve srážkách těžkých iontů

25 25 1D korelační funkce ● První měření femtoskopické korelační funkce s mnohonásobně podivným baryonem ● Efekty Coulombické and silné ( Ξ * 1530 ) interakce v koncovém stavu. ● První pozorování Ξ * 1530 ve srážkách těžkých iontů

26 26 1D korelační funkce ● První měření femtoskopické korelační funkce s mnohonásobně podivným baryonem ● Efekty Coulombické and silné ( Ξ * 1530 ) interakce v koncovém stavu. ● První pozorování Ξ * 1530 ve srážkách těžkých iontů  *(1530) 200 GeV AuAu 40-80% STAR preliminary

27 27 1D korelační funkce ● První měření femtoskopické korelační funkce s mnohonásobně podivným baryonem ● Efekty Coulombické and silné ( Ξ * 1530 ) interakce v koncovém stavu. ● První pozorování Ξ * 1530 ve srážkách těžkých iontů  *(1530) 200 GeV AuAu 40-80% STAR preliminary Publikováno: Nucl Phys A 749:283C-286C,2005

28 28 1D korelační funkce-porovnání ● Pozorována závislost na centralitě srážky. Obzvláště silná v oblasti  *. ● Slabá závislost na energii srážky. Obdobné pozorování jako v  měření.

29 29 1D korelační funkce-porovnání ● Pozorována závislost na centralitě srážky. Obzvláště silná v oblasti  *. ● Slabá závislost na energii srážky. Obdobné pozorování jako v  měření.

30 30 Emisní asymetrie Z. Chajecki, T.D. Gutierrez, M.A. Lisa and M. López-Noriega, nucl-ex/0505009 Nová metoda - rezklad k.f. do kulových funcí A 11 ≠ 0 – existuje asymetrie mezi průměrnými body emise p and X v příčném směru. Různé koeficienty A lm odpovídají různým symetriím k.f. A 00 - monopole –velikost A 11 - dipole – posun v příčném směru

31 31 Emisní asymetrie Z. Chajecki, T.D. Gutierrez, M.A. Lisa and M. López-Noriega, nucl-ex/0505009 Nová metoda - rezklad k.f. do kulových funcí A 11 ≠ 0 – existuje asymetrie mezi průměrnými body emise p and X v příčném směru. Různé koeficienty A lm odpovídají různým symetriím k.f. A 00 - monopole –velikost A 11 - dipole – posun v příčném směru WPCF 2005: AIP Conf.Proc.828:610-614,2006 Quark Matter 2005: NUCL. PHYS. A774:603-606,2006

32 32 Porovnání s teoretickými výpočty ● FSI modely se silnou interakcí: S.Pratt: PRC68:054901, 2003 R.Lednický ● Hybnosti částic z reálných dat ● Emisní souřadnice z modelu ● Gaussovský zdroj v CMS páru s asymetrií v příčném směru – “Standardní” způsob počítání k.f. – Neobsahuje korelaci mezi hybností a bodem emise ● Coulombická část souhlasí s daty ● Problém v oblasti Ξ* – vysoké A 0 0 – opačné znaménko A 11

33 33 Porovnání s teoretickými výpočty ● Modely založené na hydrodynamickém popisu – Blast wave – HYDJET++ ● Obsahují korelace mezi hybností a bodem emise. ● Změna chování v oblasti Ξ  – Znaménko A 11 v v souladu s hypotézou příčného toku Ξ – Příliš velké A 0 0, A 11

34 34 Porovnání s teoretickými výpočty ● Modely založené na hydrodynamickém popisu – Blast wave – HYDJET++: particle production and resonance decays ● Obsahují korelace mezi hybností a bodem emise. ● Změna chování v oblasti Ξ  – Znaménko A 11 souladu s hypotézou příčného toku Ξ – Příliš velké A 0 0, A 11 Pozorovaná asymetrie je v souladu s hypotézou příčného toku X, v jehož důsledku jsou X oproti p emitovány v průměru více na okraji systému. Pro kvalitativní vysvětlení k.f. v oblasti X * je nutná přítomnost korelace mezi hybností a emisními body.

35 35 Gaussovský fit Coulombické oblasti ● Pouze pro √S NN = 200GeV data ● Obtížnost současného popsání oblasti Coulombické a silné interakce – Probíhají práce na teorii pro femtoskopii s použitím resonancí (Lednický WPCF 2010) ● Coulombická interakce je dobře známá a teorie pro k*~ 0 dobře ověřená – Lze fitovat pouze oblast malých k* dominovanou Coulombem – Lze použít Gaussovskou parametrizaci zdroje v CMS páru Particle 1 source Particle 2 source Δ r * o u t = γ T ( Δ r o u t – β T Δ t )‏ r  (r T  t Separation between particle 1 and 2 boosted to the pair rest frame r o u t [fm] Δ r o u t [fm] R  Δ r o u t > = < r o u t  π  –r o u t  Ξ  

36 36 Gaussovský fit Coulombické oblasti ● Centrální data – možné fitovat jednotlivé nábojové kombinace. ● Ostatní centrality- pouze společný fit. ● 1 and 0.2-   2 kontury

37 37 Centralitní závislost výsledků fitu ● Centralitní závislost Gaussovského poloměru R a příčné asymetrie Δ r* o u t. – Jak velikost, tak asymetrie roste s centralitou. ● Velikost p-X zdroje je na úrovní velikosti samotného zdroje p ● Průměrný bod emise Ξ je posunut oproti  směrem ke kraji celého systému. ● Výsledky jsou v souladu s hypotézou příčného toku Ξ.

38 38 Centralitní závislost výsledků fitu SQM 2006: JOURNAL OF PHYS. G 32 (12):S537-S540 2006 Quark Matter 2006: INT. J. OF MOD. PHYS. E 16 (7-8):2222-2228 2007 WPCF 2010: bude publikováno ● Centralitní závislost Gaussovského poloměru R a příčné asymetrie Δ r* o u t. – Jak velikost, tak asymetrie roste s centralitou. ● Velikost p-X zdroje je na úrovní velikosti samotného zdroje p ● Průměrný bod emise Ξ je posunut oproti  směrem ke kraji celého systému. ● Výsledky jsou v souladu s hypotézou příčného toku Ξ.

39 39 Srovnání s modelem HYDJET++ ● Existují jiné mechanismy modifikující příčnou emisní asymetrii? – Různé varianty vymrzání X : T kin >T ch vs T kin =T ch – Rozdíl mezi přímými X a X pocházejícím z rozpadu X *. Vliv X */ X na měřenou asymetrii. ● STAR pozoruje vysoký X */ X=0.92 v centrálních srážkách. ● Srovnání s modelem HYDJET++ – Hydrodynamicky motivovaná parametrizace nadplochy vymrznutí – Produkce částic podle statistického modelu – Produkce resonancí a jejich rozpad http://uhkm.jinr.ru N. Amelin et al. Phys.Rev.C73:044909,2 006 Phys.Rev.C74:064901,2 006. Phys.Rev.C77:014903,2 008.

40 40 Srovnání s modelem HYDJET++ Tři varianty vymrzání částic: T kin =T ch =160 MeV T kin =100 MeV, T ch =165 MeV Brzké vymrznutí pouze X Nejmenší emisní asymetrie při brzkém vymrznutí X. Nejlépe souhlasí s měřením.

41 41 Srovnání s modelem HYDJET++ Může ovlivnit Ξ*/Ξ emisní asymetrii? Vysoký Ξ*/Ξ vede k menší asymetrii. Malá citlivost. Tři varianty vymrzání částic: T kin =T ch =160 MeV T kin =100 MeV, T ch =165 MeV Brzké vymrznutí pouze X Nejmenší emisní asymetrie při brzkém vymrznutí X. Nejlépe souhlasí s měřením.

42 42 Srovnání s modelem HYDJET++ Může ovlivnit Ξ*/Ξ emisní asymetrii? Vysoký Ξ*/Ξ vede k menší asymetrii. Malá citlivost. Tři varianty vymrzání částic: T kin =T ch =160 MeV T kin =100 MeV, T ch =165 MeV Brzké vymrznutí pouze X Nejmenší emisní asymetrie při brzkém vymrznutí X. Nejlépe souhlasí s měřením. Pozorovaná asymetrie svou velikostí odpovídá nejlépe scénáři při kterém baryony s vícenásobnou podivností vymrzají dříve než ostatní částice - v souladu s výsledky měření spekter a eliptického toku. Obdobný effekt má i abnormálně vysoký poměr Ξ */ Ξ. Pro jednoznačné závěry je třeba větší statistika. WPCF 2008: ACTA PHYSICA POLONICA B 40 (4):1185-1192 2009

43 43 Závěry ● Vývoj a kalibrace simulátoru vrcholového křemíkového driftového detektoru. ● První femtoskopické měření s vícenásobně podivnými baryony – Pozorovány efekty Coulombické a silné interakce – První pozorování resonance X *(1530) ve srážkách těžkých jader – Silná centralitní závislost k.f. v oblasti X * ● Pozorování emisní asymetrie v příčném směru mezi p a X – Použití nové metody rozvoje k.f. do kulových funkcí – X v průměru emitováno více u okraje systému – souhlasí s transversální expanzí zdroje za účasti X ● Obtížnost současného popisu oblasti Coulombické a silné interakce – Stimulace vývoje teoretického aparátu pro využití resonancí pro femtoscopická měření

44 44 Závěry ● Získání velikosti emisní oblasti a asymetrie z fitu Coulombické části k.f. – Centralitní závislost pro srážky při √s NN = 200 GeV – Malá velikost zdroje X oproti p a velké hodnoty asymetrie potvrzují hypotézu příčného toku X ● Srovnání s hydrodynamicky motivovaným modelem HYDJET++ – Podporuje výsledky měření ukazující na brzké vymrzání baryonů s mnohonásobnou podivností – Pro konklusivní oddělení vlivu anomálně vysokého poměru X */ X je třeba vyšší statistika ● Data s vysokou statistikou (10x větší) z roku 2010 se momentálně zpracovávají – Velký nárůst statistiky párů díky identifikaci pomocí TOF – Oddělení dynamických efektů pomocí p T výběrů párů. ● Celkem 6 článků v recenzovaných časopisech, 1 invited talk.

45 Konec, děkuji za pozornost

46 Porovnání různých scénářů emise X – vliv na k.f. v oblasti X* ● Použití emisního modelu, který obsahuje korelaci mezi hybností částice a bodem emise vede k vylepšsení chování k.f. v oblasti X * ● Lze najít jiný, fyzikálně motivovaný, scénář, který byl byl v lepším souhlasu?

47 Porovnání různých scénářů emise X – vliv na k.f. v oblasti X* ● Vzhledem k ostatním výsledkům je nejlépe motivovaným scénářem ten,který obsahuje jak příčný tok, tak i brzké vymrzání X. ● Citlivost k.f. je příliš malá.

48

49 Fitting with free parameter ● CF already corrected for pair purity. ● Reintroduction of the as a fit parameter ● Estimate of the quality of purity correction and it's influence on extracted parameters. ● Strong correlation between and R in the fit. fit to  -  + in 0-10% central Au+Au at 200GeV :

50 50 RHIC

51 Comparison to HYDJET++ model http://uhkm.jinr.ru N. Amelin et al. Phys.Rev.C73:044909,2 006 Phys.Rev.C74:064901,2 006. Phys.Rev.C77:014903,2 008. ● Bjorken expansion parametrization of freeze-out – Blastwave ● Particle production – statistical model ● Three different parameter sets tuned to reproduce spectra – T ch =T th =165 MeV – T ch =100MeV, T th =165MeV – Combined scenario of  early freeze- out. ● Decays of hadronic resonances ● Fast generation of events parameter Tch=Tth Tch>Tth Tch, GeV 0.165 0.165 Tth, GeV 0.165 0.100 µB, GeV 0.028 0.028 µS, GeV 0.007 0.007 µQ, GeV -0.001 -0.001 γS 1 1 τ, fm/c 7.0 8.0 Δτ, fm/c 2.0 2.0 R, fm 9.0 10.0 ηmax 2 2 ρu max 0.65 1.1

52 separate freeze-out scenario with Tch=0.165 GeV Tth=0.1 GeV. The m t spectra calculated with HYDJET++ single freeze-out scenario: The model cannot simulate different conditions for different species.........we can mix particles from both types of events Single freeze-out describes Ξ Separate freeze-out describes common particles

53 π-Ξ emission asymmetry from the model “mix” events – taking pions from separate and Ξ from single temperature freeze-out. Difference between freeze-out scenarios. Decrease of the emission shift in case of Ξ freezing out at higher T th. Does the shift depend on Ξ*/Ξ ratio?

54 for direct particles (emission duration Δτ=2 fm/c) Including resonance decays (emission duration Δτ=2 fm/c) Significant influence on Ξ The emission time probabilities for Ξ, π, K, p

55 Ξ* Transverse Momentum Spectra Richard Witt – STAR collaboration J. Phys.G34:S921-S924,2007 Richard Witt – STAR collaboration J. Phys.G34:S921-S924,2007 ● STAR preliminary measurements of  * p T spectra and  */  ratio. ● High  */  ratio compared to statistical model.

56 Ξ* Transverse Momentum Spectra Richard Witt – STAR collaboration J. Phys.G34:S921-S924,2007 Richard Witt – STAR collaboration J. Phys.G34:S921-S924,2007 HYDJET++ ● reproduces shape of spectra with T th =T ch ● Underestimates yield ● Study influence of  */  on the measured asymmetry ● STAR preliminary meassurements of  * p T spectra and  */  ratio. ● High  */  ratio compared to statistical model ~ 0.25 single f.o. (T thermal =T chemical ) HYDJET++:

57 Note on purity corrections ● CF=la(CF_raw -1)* + 1 ● If the purity is independent of k* it can be included in the fit as in pi-pi HBT. ● The purity of pions and Xi are pt dependent => pair puity depends on k* ● CF corrected before fitting

58 Pion source size comparison ● Radii extracted by calculating CF and fitting ● p-p HBT radii well described ● With weak decays turned on - lambda is reproduced

59 Resonance to Non-Resonance Y. Kanada-En'yo and B. Muller, nucl-th/0608015 M. Kaskalov and E. Oset, PRC 73, (2006) 045123 Implication ● significant hadronic scattering ● density of  bath? ● large  -  cross-section? Ratios (resonance to non)‏ ● scaled to central point ● short-lived K* suppressed ● re-scattering ●  */  level ● (re-) generation ●  */  suppressed ● at creation? ● L=2 decay? ●  */  enhanced

60 ● Matter is thermally equilibrated. Particle multiplicities are determined by the temperature and chemical potentials at chemical freeze-out. Statistical model.. ● “concept of effective volume” T=const and µ=const the total yield of particle species is:, total co-moving volume, ρ-particle number density ● Particles can be generated on the chemical (T th =T ch ) or thermal freeze-out hypersurface represented by a parameterization (or a numerical solution of the relativistic hydrodynamics). ● Various parameterizations of the hadron freeze-out hypersurface and flow velocity Bjorken-like expansion (Blastwave ) used in our study linear rapidity profile ● Decays of hadronic resonances ● Fast generation of events Comparison to HYDJET++ model http://uhkm.jinr.ru N. Amelin et al. Phys.Rev.C73:044909,2 006 Phys.Rev.C74:064901,2 006. Phys.Rev.C77:014903,2 008.

61 Thermal Model Thermal model (THERMUS)‏ ratios at  chem enhanced  */  suggests significant hadronic scattering Richard Witt – for the STAR Collaboration R. Witt@QM’06 J.Phys.G34:S921-S924,2007

62 1. Thermodynamic parameters at chemical freeze-out: T ch, { µ B, µ S, µ Q } 2. If thermal freeze-out is considered: T th, µ π-normalization constant 3. As an option, strangeness suppression γ S < 1 4. Volume parameters: τ -the freeze-out proper time and its standard deviation Δτ (emission duration) R- fireball transverse radius 5. -maximal transverse flow rapidity for Bjorken-like parametrization 6. η max -maximal space-time longitudinal rapidity which determines the rapidity interval [- η max, η max ] in the collision center-of-mass system. 7. To account for the violation of the boost invariance, an option corresponding to the substitution of the uniform distribution of the space-time longitudinal rapidity by a Gaussian distribution in η. 8. Option to calculate T, µ B using phenomenological parameterizations FASTMC-Model parameters for central collisions:

63 63 Silicon Vertex Tracker

64 64 SVT slow simulator ● Simulace chování oblaku excitovaných elektronů v křemíku – Expanze v důsledku difuze a Coulombické repulse – Simulace vlivu nečistot v křemíku - “trapping/detrapping” efekt ● Simulace elektroniky a vyčítání ● Srovnání s reálnými daty a základní kalibrace