Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

1 Měření prostoročasových charakteristik srážek těžkých jader metodou korelační femtoskopie Petr Chaloupka (STAR collaboration ) MFF UK Ústav jaderné fyziky.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "1 Měření prostoročasových charakteristik srážek těžkých jader metodou korelační femtoskopie Petr Chaloupka (STAR collaboration ) MFF UK Ústav jaderné fyziky."— Transkript prezentace:

1 1 Měření prostoročasových charakteristik srážek těžkých jader metodou korelační femtoskopie Petr Chaloupka (STAR collaboration ) MFF UK Ústav jaderné fyziky AV ČR, v. v. i

2 2 Overview ● Motivation ● RHIC, STAR ● Femtoscopy – Basic principles – Selected results ● p-X correlations – Motivation for femtoscopy with multi-strange baryons – Measured results – Model comparison ● Conclusions

3 3 Nuclear matter Quantum chromodynamics ● Fundamental theory of strong interaction ● Thoroughly tested in perturbation regime ● Small knowledge of emergent collective phenomena ● phase diagram of QCD?

4 4 Nuclear matter Quantum chromodynamics ● Fundamental theory of strong interaction ● Thoroughly tested in perturbation regime ● Small knowledge of emergent collective phenomena ● phase diagram of QCD? Analogy with solid state physics ● QED – fundamental theory ● Rich stucture of dynamicaly generated phenomen ● Example: phase diagram of water 15 phases, 16 triple points, 2 critical points

5 5 Asymptotic freedom in QCD 1973 Gross, Wilczek, Politzer: Asymptotic freedom v QCD

6 6 Quark-gluon plasma Prediction of existence of deconfined state of matter with partonic degrees of freedom under high pressure and temperature Shuryak: “Quark Gluon Plasma”

7 7 Quark-gluon plasma Phase transition ● Calculations from lattice QCD ● Strongly dependent on number of considered quark flavors Cold nuclear mater:

8 8 Quark-gluon plasma Phase transition ● Calculations from lattice QCD ● Strongly dependent on number of considered quark flavors Cold nuclear mater: Alton: Nucl.Phys.Proc.Supl., 141: , 2005

9 9 Collisions of heavy nuclei ● Goal: Creation of thermalized hadronic matter on macroscopic scale in laboratory – High initial energy density ~ 5 GeV/fm^3 – Relatively long-lived ~ 10 fm/c – Strongly interacting => may thermalize fast – Possible phase transition into QGP phase

10 10 Brookhaven National Laboratory Long Island N.Y. Manhattan Brooklyn Queens Long Island, New York, BNL

11 11 Relativistic Heavy Ion ColliderSTAR PHENIX PHOBOS BRAHMS 1.2km

12 12 STAR experiment~4m~4m ~4m~4m Over 1,200 tons

13 13 STAR experiment Ful azimuthal coverage in 0.5T mag. field STAR main parts are: a magnet, TPC, TOF, FTPC and a Electromagnetic Calorimeter. Optimalized for hadroinic observables a event-by-event physics TPC – reconstruction of treacks in mid- rapidity |η|<1.8 particle identification via dE/dx

14 14 STAR event Central event of Au+Au at  S NN  130 GeV dE/dx pions kaons proton s deuteron s electron s Particle identification via energy loss in TPC

15 15 Expansion of the fireball: higher pressure gradient in the reaction plane ellipsoidal to spherical shape evolution x Reaction plane z y Non-central collision x z y Heavy ions collision

16 16 The Phase Transition in the Laboratory tim e

17 17 Collision geometry Kolb, disertace,2002 ● Nontrivial space-time evolution – Hallmark of heavy-ion physics ● Depending on – Initial anisotropy – Thermalization time – Equation of state – Existence of phase transition – Life time of the system ● Understanding the space-time aspect of the heavy-ion collision is crucial for interpretation of other results.

18 18 Correlations: probing the emission function Hadron Interaction s CGC Chemical Freeze- out Thermal Freeze- out Hadronization QGP ? Au R side R long R out xaxa xbxb K papa pbpb - normalized separation distribution - two-particle wave function (quantum stat., Coulomb, strong int.) Two-particle correlation function is sensitive to the separation distribution of the source and interaction in the final state.

19 19 Correlations: probing the emission function Hadron Interaction s CGC Chemical Freeze- out Thermal Freeze- out Hadronization QGP ? Au Two-particle correlation function is sensitive to the separation distribution of the source and interaction in the final state. Experimentally constructed CF: q (GeV/c) C (q) 1 2 ~

20 20 Correlations: probing the emission function Hadron Interaction s CGC Chemical Freeze- out Thermal Freeze- out Hadronization QGP ? Au Two-particle correlation function is sensitive to the separation distribution of the source and interaction in the final state. Experimentally constructed CF: C 2 (Q inv ) Q inv (GeV/c) p+p R ~ 1 fm d+Au R ~ 2 fm Au+Au R ~ 6 fm

21 21 3-dimensional correlation function R side R long R out xaxa xbxb K papa pbpb ● Coordinate system connected with emission direction of the pair – Pratt-Bertsch “out, side, long” system femtoscopy probes x-p substructure “homogeneity regions”

22 22 3-dimensional correlation function R side R long R out xaxa xbxb K papa pbpb ● Coordinate system connected with emission direction of the pair – Pratt-Bertsch “out, side, long” system femtoscopy probes x-p substructure “homogeneity regions” Rside

23 23 3-dimensional correlation function R side R long R out xaxa xbxb K papa pbpb ● Coordinate system connected with emission direction of the pair – Pratt-Bertsch “out, side, long” system femtoscopy probes x-p substructure “homogeneity regions” Rout

24 24 3-dimensional correlation function ● Coordinate system connected with emission direction of the pair – Pratt-Bertsch “out, side, long” system femtoscopy probes x-p substructure “homogeneity regions” Au+Au: central collisions C(Q out ) C(Q side ) C(Q long ) 3 “radii” by using 3-D vector q STAR Collab PRC 2004

25 25  femtoscopy Two decades of measurements over two orders of collisions energy: ● Excitation function of HBT radii – no obvious “onset” - sign of phase transition – Rout/Rside puzzle “”“” Rischke, Gyulassy, NP A 608 (1996) 479 R out /R side

26 26  femtoscopy Two decades of measurements over two orders of collisions energy: ● Excitation function of HBT radii – no obvious “onset” - sign of phase transition – Rout/Rside puzzle “”“” Rischke, Gyulassy, NP A 608 (1996) 479 R out /R side Need of systematic study of femtoscopic observables:

27 27 Strongly-interacting 6 Li released from an asymmetric trap O’Hara, et al, Science (2002) ? Final geometry? 27 How far do we go?

28 28 big R S small R S Azimuthaly sensitive HBT

29 29 big R S small R S Azimuthaly sensitive HBT

30 30 central collisions mid-central collisions peripheral collisions Azimuthaly sensitive HBT

31 31  initial =  final STAR PRL (2004) R final /R initial STAR PRC Initial size/shape estimated by Glauber calculation ~ x2 size increase~ 1/2 shape reduction Azimuthaly sensitive HBT

32 32 Radial flow from femtoscopy ● Radially expanding source – Space-momentum correlation in emission of particles – Faster particles emitted closer to the surface – Superimposed with thermal motion ● Flow induced substructure ● m T dependence of radii – measured size (homogeneity region) decreases with particles m T slow  region fast  region

33 33 m T dependence of  HBT radii Two decades of measurements over two orders of collisions energy: ● m T dependence of radii – Fall of radii with m T – Attributed to collective expansion

34 34 m T dependence of  HBT radii Two decades of measurements over two orders of collisions energy: ● m T dependence of radii – Fall of radii with m T – Attributed to collective expansion PRC (2005)

35 35 Varying particle species – Confirmation of flow from other particle species – Different interactions – Coulomb, strong – Different systematics More complete picture must contain other particle species

36 36 m T scaling from baryon sector ● Observed m T scaling of radii – check from baryon sector for flow- generated x-p correlations – correlation function due to different FSI – good consistency check ● strong +QS... K 0 s-K 0 s ● strong+Coulomb... p-p ● strong only... p-La ● strong+ QS+Coulomb... p-p ● Consistent with transverse expansion of the source -

37 37 “Femtoscopy Inversed” - studying particle interaction ● Inversion of the femtoscopic procedure – extracting information about final state interaction (scattering lengths,...) – using known source size or including interaction parameters in the fit. Standard procedure: measured known unknown

38 38 “Femtoscopy Inversed” - studying particle interaction Standard procedure: measured known unknown ● Inversion of the femtoscopic procedure – extracting information about final state interaction (scattering lengths,...) – using known source size or including interaction parameters in the fit. ● In heavy-ion experiments: – pros ● high event statistics ● abundance of rare particles – cons ● complicated corrections – STAR – good reconstruction capabilities measuredunknown known Reversed procedure:

39 39 p(p)  : scattering length ¯ ¯ ● Correlation due to strong FSI – no Coulomb ● Proton-lambda – source size measured – CF fitted using known potential ● Antiproton-lambda – unknown interaction potential – same potential form as in p-lambda assumed ● For antiproton-lambda scattering length extracted for the first time

40 40 Correlations with non-identical particles ● Observable implications of hydro calculations: – correlation between momentum and emission point – measured size (homogeneity region) decreases with particles m T – mean emission point is shifted from center ● effect increases with particles mass ● not accessible by identical particles measurements  emission region K emission region  K p p T = 0.53 GeV/c TT =0.73c p T = 0.15 GeV/c p T =1.01 GeV/c shift in average emission point

41 41 Probing emission-time ordering Catching up: cos  0 long interaction time strong correlation Ratio of both scenarios allow quantitative study of the emission asymmetry Moving away: cos  0 short interaction time weak correlation purple K emitted first green  is faster purple K emitted first green  is slower e.g. Lednicky et al Phys. Lett. B373:30–34, 1996

42 42 Initial idea: probing emission-time ordering Catching up: cos  0 long interaction time strong correlation Ratio of both scenarios allow quantitative study of the emission asymmetry Moving away: cos  0 short interaction time weak correlation Crucial point: kaon begins farther in “out” direction (in this case due to time-ordering) purple K emitted first green  is faster purple K emitted first green  is slower STAR PRL 91 (2003) e.g. Lednicky et al Phys. Lett. B373:30–34, 1996 Mass-ordering observed in agreement with blast substructure  emission region K emission region

43 43 Initial idea: probing emission-time ordering Catching up: cos  0 long interaction time strong correlation Ratio of both scenarios allow quantitative study of the emission asymmetry Moving away: cos  0 short interaction time weak correlation Crucial point: kaon begins farther in “out” direction (in this case due to time-ordering) purple K emitted first green  is faster purple K emitted first green  is slower STAR PRL 91 (2003) e.g. Lednicky et al Phys. Lett. B373:30–34, 1996 Mass-ordering observed in agreement with blast substructure  emission region K emission region Blast-wave: nucl- th/ F. Retiere, M. Lisa 130 AGeV 200 AGeV Phys. Rev.Lett. 91 (2003)

44 44 ● Test of X transverse flow – Large mass difference: large asymmetry effect ● Test of different freeze-out scenarios of X ● Production mechanism of X *(1530)   K Emission asymmetry  correlations

45 45 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?

46 46 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

47 47 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

48 48 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

49 49 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

50 50 1D korelační funkce-porovnání ● Pozorována závislost na centralitě srážky. Obzvláště silná v oblasti  *. ● Slabá závislost na energii srážky. Obdobné pozorování jako v  měření.

51 51 1D korelační funkce-porovnání ● Pozorována závislost na centralitě srážky. Obzvláště silná v oblasti  *. ● Slabá závislost na energii srážky. Obdobné pozorování jako v  měření.

52 52 Emisní asymetrie Z. Chajecki, T.D. Gutierrez, M.A. Lisa and M. López-Noriega, nucl-ex/ 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

53 53 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

54 54 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

55 55 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.

56 56 Gaussovský fit Coulombické oblasti ● Pouze pro √S NN = 200GeV data ● Obtížnost současného popsání oblasti Coulombické a silné interakce ● 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  

57 57 Gaussovský fit Coulombické oblasti ● Centrální data – možné fitovat jednotlivé nábojové kombinace. ● Ostatní centrality- pouze společný fit. ● 1 and 0.2-   2 kontury

58 58 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.

59 59 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 N. Amelin et al. Phys.Rev.C73:044909,2 006 Phys.Rev.C74:064901, Phys.Rev.C77:014903,2 008.

60 60 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.

61 61 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.

62 62 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.

63 63 Conclusions ● Two particle femtoscopy – Developed into high precision tool – Probing dynamic substructure of the evolving source ● Transversely expanding source ● No sign of first-order phase transition ● Consistent picture from multiple particle species ● First femtoscopic measurement with multi-strange baryons – Coulombic a strong interaction final state effects – First observation of X *(1530) resonance in heavy-ion collisions – Observed strong centrality dependence in X * region – Measurement of transverse emission asymmetry between p and X – Agreement with measurements suggesting early X decoupling and transverse expansion of the source ● High statistics data (10x) from year 2010 are on the way !

64 64 END

65 65  correlations ● Testing flow multi-strange baryons ● Coulomb and strong (  * 1530 ) final state interaction effects present. ● Centrality dependence observed, particularly strong in the  * region in pair CMS:

66 66  correlations ● Testing flow multi-strange baryons ● Coulomb and strong (  * 1530 ) final state interaction effects present. ● Centrality dependence observed, particularly strong in the  * region  *(1530) 200 GeV AuAu 40-80% STAR preliminary in pair CMS:

67 67 Resonant states in  system Life time [fm/c] :  (1020) = 44   (1520) = 13  (1385) = 5  (1385) = 5 K(892) = 4 K(892) = 4 Life time [fm/c] :  (1020) = 44   (1520) = 13  (1385) = 5  (1385) = 5 K(892) = 4 K(892) = 4 

68 68 Measuring production offset by kinematic selection Select between two configurations – One particle catching up – Particles moving away from each other Final state interactions yield different correlations for these two configuration Interaction time is shorter Interaction time is shorter Weaker correlation Weaker correlation A) faster particle flying away B) faster particle catching up Interaction time is longer Interaction time is longer Stronger correlation Stronger correlation

69 69 Spherical 3D decomposition of correlation function “Traditional” representation of multidimensional CF - limited representation of shape - 3D “Cartesian” projections in id - “double ratios” in non-id Spherical Harmonic representation -- use “all” the data to probe/view “all” shape information - see “all” 3D CF in just a few relevant 1D plots –- Different A lm coefficients correspond to different symmetries of the source A 00 - monopole – size A 11 - dipole - shift in out-direction Q OUT   Q SIDE Q LONG Q Chajecki., Gutierrez, M.A.Lisa, Lopez-Noriega, nucl-ex/

70 70 SHD of non-identical particle correlations Different A lm correspond to different symmetries of the source A 00 - monopole  size A 11 - dipole  shift in out- direction A 2m – quadrupole  shape.....

71 71 Xi*/Xi – some questions at the end ● Xi*/Xi... higher then thermal prediction ● Xi* - long lived – once created it decays far out of the system ● suggest most of Xi* interact with pion gas ● How is it then with early decoupling and Xi sensitivity to early times? THERMUS fit T=0.169±0.006, μ B =0.04±0.01, μ S =0.016±0.009, μ Q =-0.01±0.01, ° S =0.91±0.06, radius=7.5±1.0.

72 72 Quark deconfinement

73 y x pypy pxpx Non central collisions : Interaction between constituents => pressure gradient => spatial asymmetry converted in an asymmetry in the momentum phase space v 2 sensitive to the initial stage of the collision so to parton rescattering in the hot and dense medium )(tan,2cos 1 2 x y p p v   xy xy    Anisotropy parameter, v 2 Directed flowElliptic flow

74 Scaling with constituent quarks (as suggested by coalescence models) seems to provide a consistent picture Even multi-strange particles show an important elliptic flow. Identified Elliptic flow at intermediate to high p T Au+Au  s NN =200 GeV STAR Preliminary MinBias 0- 80% flow per constituent Idea of flow per constituent – Coalescence models Elliptic flow developed at partonic level


Stáhnout ppt "1 Měření prostoročasových charakteristik srážek těžkých jader metodou korelační femtoskopie Petr Chaloupka (STAR collaboration ) MFF UK Ústav jaderné fyziky."

Podobné prezentace


Reklamy Google