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IL PLASMA DI QUARK E GLUONI E LE COLLISIONI DI IONI PESANTI ULTRARELATIVISTICI Marzia Nardi INFN Torino Scuola Di Fisica Nucleare Raimondo Anni (II corso)

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1 IL PLASMA DI QUARK E GLUONI E LE COLLISIONI DI IONI PESANTI ULTRARELATIVISTICI Marzia Nardi INFN Torino Scuola Di Fisica Nucleare Raimondo Anni (II corso) Otranto, 29 maggio-3 giugno

2 Programma 1) Introduzione –sistemi di particelle relativistiche –introduzione alla QCD, simmetrie –QCD su reticolo –transizione di fase nel modello a bag 2-3-4) Collisioni di ioni pesanti ultrarelativistici –fasi della collisione –modello di Glauber e misura di centralita` –espansione, descrizione idrodinamica –segnali di deconfinamento: sonde dure –segnali di deconfinamento: sonde soffici Saturazione partonica: separazione degli effetti di stato iniziale/ finale

3 Hard probes

4 t<0t=0 0~10-15 fm/c QGP adroni freeze-out

5 Soppressione della J/ (charmonio, bottomonio) jet quenching fotoni termici dileptoni termici

6 J/ e partoni ad alto impulso trasverso (jet) vengono prodotti nei primi istanti della collisione tra i nuclei incidenti, in interazioni forti con grande impulso scambiato. La loro produzione si puo` descrivere in termini di QCD perturbativa (Q>1GeV). Interagiscono fortemente con il mezzo, ma il loro destino cambia a seconda della natura del mezzo stesso (confinato/deconfinato). Sono quindi veri e propri segnali di deconfinamento. Le sonde elettromagnetiche (fotoni, dileptoni) vengono emesse dal QGP; interagiscono debolmente con il mezzo attraversato, fuggono facilmente e portano informazioni dirette sul QGP (temperatura, densita`).

7 Soppressione della J/

8 Proposta 20 anni fa come segnale di deconfinamento (Matsui, Satz), subito suscito` un grosso interesse e stimolo` accurate misure sperimentali. La J/ e` uno stato legato di quark c-cbar, molto piccolo (r~0.2 fm) e fortemente legato (E~ 650 MeV). Quindi e` un oggetto molto compatto. La sezione durto di interazione inelastica J/ +h -> D+Dbar e` molto piccola. Un gas adronico e` quindi trasparente alla J/. Invece nel QGP il legame tra partoni si indebolisce e la J/ si dissolve nei quark costituenti

9 La collaborazione NA38, utilizzando uno spettrometro di muoni, era impegnata al CERN-SPS in esperimenti di collisioni con nuclei di O,S,Cu,U. Lanalisi dei dati alla ricerca del segnale di soppressione inizio` alacremente… MA… SOPPRESSIONE RISPETTO A COSA ?

10 Il processo di produzione di una coppia c-cbar e` duro (gg->c-cbar) e in una collisione NN avviene con probabilita` molto piccola. In una collisione nucleo-nucleo la probabilita` di produrre una coppia c-cbar e` proporzionale al numero di collisioni NN: Mediando sul parametro di impatto: =AB E` naturale quindi studiare la soppressione della J/ in A- B prendendo come riferimento il numero di J/ che ci si aspetta in un numero equivalente di collisioni NN (processo di controllo: DY). Si definisce la probabilita` di sopravvivenza della J/ :

11 La J/ e` stata studiata in urti pp. M=3.097 GeV, =90 KeV Decade in + - con BR~6%. I quark c-cbar formano altri stati legati: c (piu` leggero della J/ ) c (E~250 MeV) (E~50 MeV) Una frazione consistente (~40%) delle J/ osservate sperimentalmente (in urti pN e N) provengono da decadimenti radiativi di stati eccitati del charmonio (, c ). Bisogna tenerne conto perche le considerazioni fatte in precedenza sulla J/ non e` detto che si applichino esattamente allo stesso modo a e c !

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13 J/

14 J/ J/ … … … … …

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16 Il mezzo (confinato/deconfinato) influisce in modo diverso sui differenti stati del charmonio. Proprieta` diverse (energia di legame, raggio) implicano sezioni durto diverse per interazioni con adroni e diverse temperature di dissociazione nel plasma.

17 un altro po di storia… Pochi mesi dopo la proposta della soppressione della J/ come segnale di deconfinamento, la collaborazione NA38 annuncio` una forte soppressione in urti O-S, O- Cu. Leccitazione pero`si spense quando, andando ad analizzare vecchi dati p-nucleo, si trovo una soppressione confrontabile… Cosa succedeva ?

18 Assorbimento prerisonante La produzione della coppia c-cbar e` istantanea. Levoluzione in uno stato legato (open/hidden charm) pero` richiede tempo. Se durante questo tempo la coppia c-cbar subisce interazioni ad alta energia (per esempio con altri nucleoni) levoluzione viene disturbata e ce` una buona probabilita` che la J/ non si formi.

19 La soppressione della J/ in collisioni p-nucleo e` ben descritta da una formula probabilistica basata sul modello di Glauber: Da un fit dei dati sperimentali (NA38, NA50) si ricava abs = mb In urti nucleo-nucleo si generalizza la formula precedente: I dati sperimentali (fino a S-U) sono ben riprodotti con la stessa abs

20 Notare i dati Pb-Pb: seguono landamento generale nelle collisioni piu` periferiche, poi deviano ! Soppressione anomala ! NA38/NA50

21 I nuovi dati In-In (NA60) seguono lo stesso andamento di Pb-Pb

22 Spiegazioni ? Sono stati proposti modelli che riescono a riprodurre piuttosto bene la soppressione osservata assumendo la formazione di una fase deconfinata in urti centrali Pb- Pb e In-In.

23 Nel 2005 sono stati pubblicati anche I dati sperimentali di RHIC (PHENIX) Una grossa sorpresa e` stata losservare una soppressione confrontabile con quella misurata ad SPS e praticamente indipendente dallenergia ! (NB: A RHIC attenzione alla rigenerazione !)

24 Spiegazioni senza QGP ? La J/ e` soppressa a causa delle interazioni inelastiche con particelle secondarie (gas adronico in espansione). Problemi: la sezione durto J/ con,K,… non e` nota sperimentalmente. Calcoli perturbativi (validita` dubbia!) danno una sezione durto ~ 0.1 mb La densita` del gas adronico necessaria per spiegare i dati sperimentali e` irrealistica ! Nonostante cio` si sono fatti molti tentativi, alcuni dei quali con buon successo per Pb-Pb. Confronto con gli altri sistemi ? Per quanto ne so, nessun modello adronico fino ad ora proposto e` in grado di spiegare i dati sperimentali di SPS e RHIC simultaneamente.

25 Spiegazione con il QGP La soppressione osservata a SPS e RHIC e` dovuta esclusivamente alla rimozione delle componenti e c, perche la densita` di energia raggiunta non e` ancora sufficiente a dissolvere la J/ diretta: La soppressione della J/ si vedra` a LHC !

26 Domandina… perche` non si e` mai parlato della soppressione della c ?

27 Ricapitolando… Uso delle hard probes: creare la sonda: pp studiare le proprieta` della sonda: pA utilizzare la sonda: AB interpretare i dati sperimentali: TT

28 Altri segnali

29 jet quenching Una carica di colore che attraversa un mezzo fortemente interagente perde energia in modo diverso a seconda della natura del mezzo. Mezzo adronico: la carica di colore adronizza immediatamente Mezzo deconfinato: la carica di colore perde molta energia in seguito ad interazioni, emissione di g

30 Segnale visibile solo dalle energie di RHIC (a SPS i jet non hanno abbastanza energia per essere osservati) esempio di coppia di jet in una collisione pp (STAR)

31 Una particella ad alto impulso trasverso funziona da trigger. Si misura la distribuzione di particelle compagne in funzione dellangolo In urti pp o d-Au si vede un fascio di particelle a 180 gradi, originate dal partone emesso, nel processo elementare, in direzione opposta; il picco appare piu` basso e largo del picco a 0 gradi a causa della risoluzione finita dellapparato rivelatore (vedere grafico pagina successiva). In urti Au-Au il picco a 180 gradi scompare, segno che il partone opposto ha perso energia nellattraversamento del mezzo. trigger particle

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33 I jet osservati sono formati da partoni emessi in prossimita` della superficie e diretti verso lesterno.

34 confronto diretti-pioni mezzo denso: opaco ai pioni, trasparente ai fotoni

35 dileptoni Emissione termica dal QGP, proporzionale a e M/T prevista nella regione intermedia.

36 fotoni termici Fondo enorme: fotoni emessi in ogni fase dellevoluzione del sistema: dalle collisioni primarie NN (fotoni diretti) ai decadimenti delle particelle finali.


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