Marzia Nardi INFN Torino Scuola Di Fisica Nucleare “Raimondo Anni” (II corso) Otranto, 29 maggio-3 giugno 2006 IL PLASMA DI QUARK E GLUONI E LE COLLISIONI DI IONI PESANTI ULTRARELATIVISTICI 3 Marzia Nardi INFN Torino

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

Hard probes

t<0 t=0 0<t<1 fm/c freeze-out adroni QGP t>~10-15 fm/c

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

J/y 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`).

Soppressione della J/y

Proposta 20 anni fa come segnale di deconfinamento (Matsui, Satz), subito suscito` un grosso interesse e stimolo` accurate misure sperimentali. La J/y 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 d’urto di interazione inelastica J/y +h -> D+Dbar e` molto piccola. Un gas adronico e` quindi trasparente alla J/y . Invece nel QGP il legame tra partoni si indebolisce e la J/y si dissolve nei quark costituenti.

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

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: <Ncoll>=ABs/sAB E` naturale quindi studiare la soppressione della J/y in A-B prendendo come riferimento il numero di J/y che ci si aspetta in un numero equivalente di collisioni NN (processo di controllo: DY). Si definisce la probabilita` di sopravvivenza della J/y :

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

J/y c J/y Y’ Y’ J/y J/y c c J/y J/y

J/y … J/y … J/y c J/y Y’ … J/y Y’ J/y … c J/y c … J/y J/y J/y

J/y J/y J/y J/y J/y J/y

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

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

Assorbimento prerisonante La produzione della coppia c-cbar e` istantanea. L’evoluzione 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) l’evoluzione viene disturbata e c’e` una buona probabilita` che la J/y non si formi.

La soppressione della J/y 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 sabs=4.18 +- 0.35 mb In urti nucleo-nucleo si generalizza la formula precedente: I dati sperimentali (fino a S-U) sono ben riprodotti con la stessa sabs

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

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

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.

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

Spiegazioni senza QGP ? La J/y e` soppressa a causa delle interazioni inelastiche con particelle secondarie (gas adronico in espansione). Problemi: la sezione d’urto J/y con p,K,… non e` nota sperimentalmente. Calcoli perturbativi (validita` dubbia!) danno una sezione d’urto ~ 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.

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

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

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

Altri segnali

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

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)

Una particella ad alto impulso trasverso funziona da “trigger” Una particella ad alto impulso trasverso funziona da “trigger”. Si misura la distribuzione di particelle compagne in funzione dell’angolo f. 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 dell’apparato rivelatore (vedere grafico pagina successiva). In urti Au-Au il picco a 180 gradi scompare, segno che il partone opposto ha perso energia nell’attraversamento del mezzo. trigger particle f

I jet osservati sono formati da partoni emessi in prossimita` della superficie e diretti verso l’esterno.

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

dileptoni Emissione termica dal QGP, proporzionale a eM/T prevista nella regione intermedia.

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