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1 Lesperimento ALICE e la fisica degli ioni pesanti.

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1 1 Lesperimento ALICE e la fisica degli ioni pesanti

2 2 Sommario Alcune definizioni utili negli esperimenti di fisica delle alte energie: energia del centro di massa ( ) momento trasverso, longitudinale,... rapidità, pseudorapidità Perché la fisica degli ioni pesanti? Lesperimento ALICE a LHC Altri esperimenti sugli ioni pesanti (SPS, RHIC)

3 3 Definizioni utili/1 Energia del centro di massa P µ 1 =(E 1,p 1 c) P µ 2 =(E 2,p 2 c) Sistema c.m.: E 1 =E 2 =E p 1 = - p 2 m 1 = m 2 N.B. P µ è invariante relativistico non dipende dal sistema di riferimento (P µ P µ =M 2 c 4 =E 2 -p 2 c 2 ) s è lenergia a riposo del centro di massa collider: c.m. fermo, quindi s è più grande che negli esperimenti a bersaglio fisso più energia a disposizione per la reazione

4 4 Definizioni utili/2 P µ 1 =(E 1,p 1 ) P µ 2 =(E 2,p 2 ) Asse z p K+K+ π D0D0 (E,pc) p (E,pc) K Momento Trasverso p T : Momento Trasverso p T : sul piano (trasverso) perpendicolare allasse z Momento Longitudinale p z : Momento Longitudinale p z : diretto lungo lasse z dei fasci Angolo θ: Angolo θ: è langolo tra la direzione della particella e lasse z

5 5 Definizioni utili/3 Rapidità y Pseudorapidità η Rapidità centrale (midrapidity): 45° θ 135° 45° θ 135° Rapidità in avanti (forward rapidity): 0° θ 6°, 0° θ 6°, 174° θ 180° 174° θ 180°

6 6 La fisica degli ioni pesanti ad alte energie OBIETTIVO: studiare fenomeni complessi derivanti da processi microscopici Transizione di fase da materia adronica al Plasma di Quark e Gluoni (QGP) VANTAGGIO: volumi maggiori rispetto a collisioni p-p, vita media più grande e sistema con tanti gradi di libertà

7 7 Tc ~ 170 MeV ~ nuclear Quark-Gluon Plasma Gas di adroni Materia nucleare Stelle di neutroni SPS AGS Universo primordiale LHC RHIC Baryon density Temperature ~ 10 s dopo il Big Bang Il Plasma di Quark e Gluoni È uno stato in cui i quark e gluoni non sono confinati negli adroni ma sono liberi di muoversi su volumi più estesi. Condizioni a cui si realizza il QGP 0 (nuclei) = 0.17 nucleoni/fm 3

8 8 Evoluzione spazio-temporale di una collisione e space time jetjet Pre-equilibrium Pb Expansion Hadronization p K Freeze-out QGP e J.Harris

9 9 Come si diagnostica il QGP? Sfida sperimentale: trovare nello stato finale quali sono le osservabili delleventuale transizione di fase hard probes ad alto p T processi ad alto momento trasferito, prodotti nei primi istanti della collisione: Mezzo attraversato ???? vuoto QGP particelle pesanti o di alto momento che attraversano il mezzo deconfinato e sono sensibili alla sua natura (jet, J/,...) soft probes a basso p T provenienti da stadi successivi della collisione (adronizzazione) abbondanze e rapporti tra particelle identificate correlazioni tra particelle espansione dinamica della collisione (flow)

10 10 Lesperimento ALICE a LHC ALICE (A Large Ion Collider Experiment) è dedicato alla fisica nucleare delle alte energie e studierà le collisioni di ioni pesanti al Large Hadron Collider (LHC) presso il CERN di Ginevra Programma sperimentale di ALICE Collisioni protone – protone con 14 TeV per coppia di nucleoni collidenti, con luminosità L=3 X cm -2 s -1 ; Collisioni di ioni pesanti Pb-Pb con 5.5 TeV per coppia di nucleoni, con L=10 27 cm -2 s -1 ; Interazioni p-Pb, deuterio-Pb, -Pb di sistemi ione-ione con masse intermedie (N-N, O-O, Ar-Ar oppure Sn-Sn).

11 11 ALICE: esperimento di ioni pesanti ma con un programma pp LHC 27 km di circonferenza CMS, ATLAS: esperimenti pp ma con un programma di ioni pesanti

12 12 ALICE setup ITS TPC TRD TOF PHOS HMPID MUON SPECTR... PMD FMD Size: 16 x 26 m Weight: ~10,000 tons

13 13 Il magnete di ALICE

14 14 Il sistema di tracciamento interno (ITS) 6 Piani di rivelatori al Si - Camere a Pixel (SPD) : 2 piani più interni - Camere a deriva (SDD) : 2 piani intermedi - Camere a microstrip a doppia faccia (SSD): 2 piani più esterni I rivelatori del barrel/1 R out =43.6 cm L out =97.6 cm SPD SSD SDD

15 15 La camera a proiezione temporale (TPC) Raggio interno = 90 cm Raggio esterno = 250 cm Lunghezza lungo la direzione del fascio = 500 cm Miscela di gas: Ne (90%) CO 2 (10%) Materiale ridotto al minimo Lavora in regime proporzionale misure di deposizione di energia I rivelatori del barrel/2

16 16 I rivelatori del barrel/3 Rivelatore a radiazione di transizione (TRD) -0.9< <0.9 Superficie: 800 m 2 – alta granularità Identificazione di elettroni p>1 GeV/c RADIATORE: induce la radiazione di transizione se > 2000 Camera a fili MWPC

17 17 I rivelatori del barrel/4 Rivelatore a tempo di volo (TOF) DOUBLE STACK OF 0.5 mm GLASS Edge of active area cathode pick up pad anode pick up pad Resistive layer (cathode) Resistive layer (anode) 5 gaps -0.9< <0.9 ottima risoluzione temporale (50-60 ps) Identificazione di e K con p<2GeV/c Identificazione di protoni con p<4GeV/c

18 18 I rivelatori del barrel/5 Calorimetro elettromagnetico (PHOS) Rivelatore di particelle di alto momento (HMPID) È un rivelatore Cherenkov (RICH) Accettanza ridotta Identifica e distingue e K con p<3GeV/c Identifica e distingue protoni e K con p<5GeV/c Accettanza ridotta (-0.12< <0.12) Rivelazione di fotoni: prodotti nella collisione (prompt) prodotti da decadimenti di 0,,...

19 19 I rivelatori in avanti/1 Studiare la produzione di J/, ',, ' e attraverso i decadimenti in 2 muoni 2.4 < < 4 Risoluzione di 70 MeV per la J/ e di 100 MeV per la Spettrometro a muoni

20 20 I rivelatori in avanti/2 Calorimetri a zero gradi (ZDC) rapidity y=0 b participants spectators Sono calorimetri adronici: Calorimetro per protoni Calorimetro per neutroni Nel tunnel di LHC a 100m dal punto di interazione Misurano il parametro dimpatto della collisione (centrale, periferica,…): COME? Misurando lenergia degli spettatori (protoni e neutroni), che è tanto più grande quanto più levento è periferico

21 21 Strumenti offline C++ ROOT: Strumento software sviluppato al CERN in C++ analisi matematiche avanzate MonteCarlo

22 22 Tracciamento in TPC e ITS TOF TRD ITS TPC PHOS RICH Ricostruzione di tracce in TPC e in TPC+ITS (basata sul filtro di Kalman). Le richieste sono: buona efficienza di tracciamento ( 90%) per p T >0.2 B=0.4 T buona risoluzione sul momento (dp/p qualche%) Display di un evento Pb-Pb centrale per particelle in un angolo di 2°. Il tracciamento è compiuto da TPC, ITS, TRD e TOF.

23 23 Ricostruzione di vertici primari La coordinata Z v è stimata con una correlazione tra i primi 2 layer dellITS (PIXEL) in una ristretta finestra azimutale ( ) (in questo caso unalta molteplicità aiuta!) Pb-Pb : z 5 10 m x = Y 25 m

24 24 Identificazione di particelle (PID) Protoni Kaoni Pioni Elettroni Protoni Kaoni Pioni Elettroni TPC HMPID ITS

25 25 Analisi Ricostruzione di J/,,, nel canale μ + μ - Ricostruzione di D 0 K - +

26 26 Analisi/2 K+K K 0 s p

27 27 Gli altri esperimenti con gli ioni pesanti Esperimento (CERN): Una collisione Pb-Pb a 158 GeV/nucleone (1996) Una collisione Au-Au a ~ 130 A-GeV di Energia nel CM (BNL) Central Event (2000)

28 28 H. Santos, "Psi' production in nucleus-nucleus collisions at the CERN/SPS". pedestal and flow subtracted Phys Rev Lett 91, Alcuni risultati

29 The end

30 30 Identificazione di particelle (PID)/ p (GeV/c) p (GeV/c) TRD e / PHOS / TPC + ITS (dE/dx) /K K/p e / HMPID (RICH) TOF, K, p, K, p identificati in una grande accettanza (2 × 1.8 unità ) combinando misure di dE/dx in ITS e TPC e misure di tempo nel TOF. Range: da ~200 MeV to 2 (p/K) (K/p) GeV/c Elettroni Elettroni identificati da 200 MeV/c to 100 GeV/c combinando ITS+TPC+TOF con il TRD In una piccola accettanza lHMPID estende la PID a ~5 GeV Fotoni Fotoni misurati con unalta risoluzione nek PHOS

31 31 Il confinamento dei quark nella materia I quark in un adrone sono legati da una interazione la cui forza cresce con la distanza (~ k r), dovuta alla carica di "colore". Se si cerca di separare due quarks, quando lenergia del legame raggiunge il punto a cui è energeticamente favorevole creare una coppia quark- antiquark, la stringa si spezza ….... E si finisce con due nuove stringhe incolori (ovvero due nuovi adroni) In natura non si è mai osservato un quark libero, ovvero non si è mai osservato un oggetto con carica di colore ("colorato"). [illustration from Fritzsch]


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