Mění se vlastnosti částic uvnitř velmi hustého a horkého prostředí? aneb jak studujeme vlastnosti silné interakce 1. Úvod 2. Současný pohled na strukturu hmoty 3. Superhorké a superhusté stavy hmoty 3.1 Nejteplejší a nejhustší hmota v laboratoři 3.2 Stavová rovnice takové hmoty 3.3 Jak a jaké veličiny měříme? 3.4 Fázové přechody 4. Jak zkoumat vlastnosti částic v takovém prostředí 4.1 Jak získat horkou a hustou jadernou hmotu 4.2 Proč využívat vektorové mezony? 4.3 Jak zachytit di-leptonové páry? 4.4 Jak výsledky analyzovat? 4. Co se zatím zjistilo? 5. Závěr Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, Řež, E_mail: WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ „No dobrá,“ řekla kočka a tentokrát se ztrácela pomalounku od konečku ocasu až po škleb; ten chvíli ještě potrval, když už ostatek zmizel. „Kočku bez šklebu, to už jsem viděla kolikrát,“ pomyslila si Alenka,“ale škleb bez kočky! Něco tak zvláštního jsem jakživ neviděla!“ Lewis Carroll: „Alenka v Kraji divů”

Budovaný urychlovač LHC Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení fundamentálních vlastností silných interakcí a vakua Dosažená teplota: ~ 180 MeV = 2,1×10 12 K Dosažená hustota: ~ 4 ρ 0 = kg/m 3 Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty Výbuch supernovy SN 2006gy v představách malíře SIS, RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření hadronové a kvark-gluonové polévky 80. léta – začátek studia horké a husté hadronové hmoty Začátek 21. století – studium kvark- gluonového plazmatu studium změn vlastností částic (hadronů) v takové hmotě Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři

Složení hmoty Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce Důležité nástroje pro popis mikrosvěta: 1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou 2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin  kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti Atomová fyzika, fyzikální chemie Jaderná fyzika Fyzika elementárních částic Superstrunové teorie? (rozměr m)? Hustota vody 10 3 kg/m 3 Hustota jádra ~10 18 kg/m 3 R ATOM /R JÁDRO ~ 10 5 → V ATOM /V JÁDRO ~ 10 15

Standardní model Hmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo 0 1) Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony –baryony a mezony) 2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie + antičástice Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje tvoří běžnou hmota za normálních podmínek výměnný charakter interakcí baryony – tři kvarky mezony – kvark a antikvark elektrický náboj barevný náboj Hadrony interagují silně složeny z kvarků

Stavová rovnice – fáze jaderné hmoty E/A = f(P) = f(ρ,T) „měkká“ jako pružná guma voda led pára plazma „tvrdá“ jako ocelová koule atomové jádro nitro neutro- nových hvězd jaderná srážka počátek vesmíru

Jak měřit teplotu? Jak měřit tlak? 1)Energetické spektrum vyzařovaných částic 2)Poměr mezi produkcí různých izotopů nebo částic 3)Spektra brzdných fotonů Jak určit transformovanou kinetickou energii? 1)Určení počtu produkovaných částic. 2)Ztracená kinetická energie v podélném směru 3)Různá centralita srážky → různá velikost přeměněné energie Velikost kolektivních toků jaderné hmoty Jak určit hustotu? Jak měřit rychlost rozpínání a rozměr? 1)Dopplerův posuv v energetických spektrech vyzařovaných částic 2)Interferometrie identických částic 1)Určení rozměru a jeho změny v předchozím případě a znalost celkové hmotnosti a energie Rozdělení nukleonů při srážce Kolektivní toky nukleonů

Fázový přechod jaderné kapaliny v hadronový plyn. Fázové přechody jaderné hmoty a vody (H 2 O) a tvar příslušných potenciálů – jsou podobné, prvního druhu Ohřívaná voda Ohřívaná jaderná hmota

Nová forma jaderné hmoty - kvark-gluonové plazma V normálním prostředí jsou barevné kvarky uvězněny v hadronech silnou interakcí zprostředkovanou gluony Uvěznění a asymptotická volnost kvarků jsou základní vlastností kvantové chromodynamiky – teorie silných interakcí David J. Gross, H. David Politzer a Frank Wilczek – Nobelova cena za fyziku 2004 právě za studium silné interakce a roli asymptotické volnosti kvark-gluonové plazma Při vysoké hustotě energie, vysoké teplotě či hustotě – uvolnění kvarků z hadronů, velká hustota gluonů → kvark-gluonové plazma Frank Wilczek Srážky jader na urychlovači E T > 10 GeV/n Velký třesk v čase kratším než 10 μs

Změny vlastností částic (hadronů) uvnitř horké a husté hmoty M(hadronu) > M(kvarků) M(atomu) < M(jádra)+M(elektronů) Proč 64 kg a ne <1.4 kg? m u = MeV m d = MeV Hmotnosti volných kvarků (tzv. proudové hmotnosti) u a d mají původ v Higgsově mechanismu a jsou poměrně nízké: m p = 938 MeV m n = 940 MeV p = uud n = udd Nukleony jsou mnohem komplikovanější mnohočásticový systém tzv. konstituentních kvarků a vakua z kvark-antikvarkových párů a gluonů vázaný silnou interakcí Hmotnost hadronů dána vlastnostmi silné interakce a symetriemi (jejich narušeními) s ní spojených – chirální symetrie vazebná energie M(jádra) < M(protonů)+M(neutronů) Platí: Ale: Mění se s hustotou energie v prostředí a intenzitou interakce (studujeme hadronovou hmotu) Dotýkáme se původu hmotnosti

Největší současný urychlovač těžkých jader - RHIC Jak získat hustou a horkou hmotu?

Srážky při relativistických energiích E = 1.5 GeV/nukleon E = 10.6 GeV/nukleon Simulace frankfurtské skupiny WWW stránky H. Webera (energie na nukleon blízká nebo několikrát větší než jeho klidové energii) Protony - červené Neutrony - bílé Excitované nukleony - modré Mezony - zelené Simulace hydrodynamického modelu UrQMD

Srážky při ultrarelativistických energiích E = 5000 GeV/nukleonE = 200 GeV/nukleon Simulace frankfurtské skupiny WWW stránky H. Webera (energie na nukleon větší než 100 GeV  vysoce převyšuje jeho klidovou energii) Protony - červené Neutrony - bílé Excitované nukleony - modré Mezony - zelené Simulace hydrodynamického modelu UrQMD

Cesta vzniklých částic a jejich zachycení detektory experimentu Phenix Srážka jader zlata z pohledu experimetu Phenix Vyznačeny dráhy detekovaných částic Doba existence horké a husté jaderné hmoty: ~ s Cesta vzniklých částic k detektorům : ~ 10 ns = s

Vektorové mezony a jejich vlastnosti Detekce e + e - párů určení invariantní hmotnosti vektorového mezonu mezon Dominantní P(e + e - ) m [MeV] Γ [MeV] τc [fm= m] rozpad ρ 0 ππ 4, MeV 149,2 1,3 ω π + π - π 0 6, MeV 8,49 23,4 Φ K + K - 2, MeV 4,26 46,3 Detekce rozpadu na pár elektron a pozitron → nepoznamenaná informace o vlastnostech částic Spin vektorových mezonů je 1, skalárních pak je 0 Změna hmotnosti i doby života průměr jader: od 2 fm do 16 fm

Spektrometr High AcceptanceDi-lEpton Spectrometer svazek Mezinárodní experimentální zařízení pracující na urychlovači SIS v GSI Darmstadt Cíl: Studium vlastností vektorový mezonů uvnitř jaderného media Nutno splnit: 1) Efektivní identifikace elektronů a pozitronů na pozadí obrovského množství hadronů 2) Co nejefektivnější výběr případu vhodných případů už během nabírání dat 3) Co nejpřesnější určení hybnosti zaznamenaných částic (určení invariantní hmotnosti)

Rozložený spektrometr HADES

Srdce spektrometr – Čerenkovův detektor Plyn C 4 F 10 Reaguje jen na částice, které se pohybují rychlostí větší než rychlost světla v daném prostředí Závisí na indexu lomu prostředí Hraniční rychlost: β min = 1/n Elektron m e =0,511 MeV/c 2 → lehce dosáhne potřebné rychlosti Mezony více než 200 krát těžší

Jak určit hybnost částic? – magnet a mnohodrátové driftové komory Supravodivý magnet B ~ 0,9 T heliové teploty Změní směr pohybu nabitých částic Relativistické rychlosti → nutnost velké intenzity pole z dráhy určíme hybnost Čtyři vrstvy komor, dvě před magnetem a dvě za magnetem Mnohodrátová komora – několik vrstev drátů v různém směru. Určení místa z polohy a doby driftu náboje Přesnost v řádu desítek μm Komory před magnetem Komory za magnetem

Jak sbírat jen užitečné případy – TOF stěna ze scintilátorů Scintilační detektory – velmi dobré časové rozlišení ~130 ps

1)Určení rychlosti z doby letu 2)Určení polohy z polohy tyče a rozdílu času v levém a pravém fotonásobiči 3)Určení náboje z ionizačních ztrát – jak velký byl signál ve scintilátoru Možnost vytvářet rychlý trigr – počet částic (čím větší tím centrálnější srážka)

Pomoc při identifikaci – TOF a detektor spršek d p   Výběr částic s rychlostí světla pomocí TOF Detektor spršek: pozitrony a elektrony produkují v olovu elektromagnetické spršky Odlišení leptonů od hadronů e+e+ e-e-

Čerenkov drátové komory a magnet TOF a sprškový detektor

Nutnost plného pochopení produkce a rozpadu standardních, dobře známých částic Pozorování počtu produkovaných mezonů π v závislosti na hybnosti (vyjádřená v ekvivalentních kinematických veličinách) Možnost určit teplotu zdrojů, které je produkují Musí souhlasit s výsledky předchozích experimentů ! Souhlasí Stejně tak musí souhlasit produkce nukleonů, jejich multiplicity, úhlová rozdělení

Testy v experimentu se srážkami p + p při energii 2,2 GeV R EXP = 15,3 ±1,8 R SIM = 15,6 ± 0,9 Hlavní úkol: otestovat přesnost určení efektivity detekce dileptonových párů Terč kapalný H 2 Svazek: 10 7 p/s Hadronové a dileptonové kanály rozpadu mezonů π 0 a η jsou velice dobře známy

Další zdroje di-leptonů – komplikované pozadí Zdroje párů e + e - : Kombinatorické pozadí – kombinace elektronu a pozitronu s různých zdrojů velmi důležité jeho popsání π + π - anihilace Δ – Dalitzův rozpad brzdné záření rozpad mezonu η M(e + e - ) [GeV/c 2 ] Au+Au 1 GeV/n kombinato- rické pozadí η → e + e - pn φ→e + e - ρ→ e + e - ω→e + e - Dileptonový „koktejl“ Důležité hybnostní rozlišení Vytváří se tzv. dileptonový koktejl

p n  ++  K   p  e+e+ e-e-   e+e+ e-e- kombinatorické pozadí koktejl

Předpověď- rozpad částic ve vakuu A – jen částice rozpadající se uvnitř horké a husté hmoty B – i částice rozpadající se vně horké a husté hmoty HADES CERES – SPS CERN a)Dileptonový koktejl – experiment body s chybami b)Poměr experiment ku koktejl A

HADES: právě probíhající experiment Detekce  a  dileptonových rozpadů Částice detekované v HADESU současně s detekcí protonu v přední stěně (nový detektorový systém HADESu) Velmi předběžné Produkce mezonů ω ve srážkách p + p a d + p

Závěr Srážky těžkých jader - možnost studia i velmi horké a husté hmoty vyskytující se jinak jen ve vesmíru Hlavním úkolem je pochopení vlastností systému interagujícího silnou interakcí a silné interakce samotné. Podrobné studium vlastností hadronů uvnitř horké a husté hmoty pomocí dileptonových párů – ideální objekty jsou vektorové mezony ρ, ω a Φ Spektrometr HADES – ideální přístroj pro takové studium Pozorovaná data ukazují náznaky změn hmotnosti vektorových mezonů Po dokončení výstavby začal spektrometr nabírat fyzikální data, důležitý je přechod k těžším systémům a provedení systematického studia srážek různých systémů za různých energiích Účast českých fyziků z ÚJF AVČR, příležitost i pro studenty