Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Fisica Subnucleare Modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti 3a lezione Dr. Francesco Noferini Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Sommario del modulo Motivazioni: il deconfinamento Collisioni nucleo-nucleo Risultati sperimentali in collisioni nucleo-nucleo (SPS,RHIC) Risultati ad LHC e prospettive Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Modelli termici vs. produzione adroni Modello Gran Canonico No vincolo sul numero di particelle prodotte Produzione degli adroni: Vinconlo sulla conservazione numeri quantici dello stato iniziale su 4π Numero barionico totale: ΣNiBi = Z+N Stranezza totale: ΣNiSi = 0 Isospin: ΣNiIi = (Z – N)/2 Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Dinamica del QGP: rapporti di particelle La misura della temperatura al freeze out chimico e dei potenziali chimici associati al sistema può essere estratta dall'osservazione dei rapporti tra le diverse specie di particelle. L’estensione di una simile analisi a LHC richiede di fatto una buona capacità di identificazione delle particelle prodotte! Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Chemical freeze-out Tch short lived resonances STAR white paper Nucl Phys A757 (05) 102 gs Tch ≈ TC ≈ 165 ± 10 MeV Chemical freezeout ≈ hadronization. s ~ u, d La stranezza è all’equilibrio termico. Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini lunedì 16/05/11, 12-14 Soppressione del Quarkonio e aumento della stranezza e della produzione del mesone Φ u,d,s ms ~ Tc Soppressione QQ Produzione di quark s Fisica subnucleare - F. Noferini lunedì 16/05/11, 12-14

Aumento della stranezza (SPS) NA57: JPG32, 427 (2006) Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Aumento della stranezza (RHIC) STAR: PRC77, 044908 (2008) Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Sopressione della J/ψ Matsui and Satz hanno predetto la soppressione della produzione di J/y nel Quark Gluon Plasma (1986) Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Debye screening Nel plasma è previsto che il potenziale di interazione sia nullo oltre una certa distanza lD (Debye screening). Gli stati di Charmonio (cc) e bottonio (bb) con dimensioni > lD non possono esistere nel mezzo Gli stati quarkonio sono considerati un termometro per la transizione di fase Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 SPS: J/ψ suppression Soppressione della J/ψ in funzione della densità di energia nella collisione. Bjorken’s formula Transverse dimension S : Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 RHIC: J/ψ suppression Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Johanna Stachel

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Strong QGP: il flusso ellittico Le particelle sono emesse più probabilmente lungo il piano di reazione L’espansione è guidata da un gradiente di pressione dN/dφ 2v2 Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Hydro+Jet model Hydro+Jet model (T.H. & Y.Nara (’02)) y Colore: parton density Punti: mini-jets Au+Au 200AGeV, b=8 fm x Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Elliptic flow - caratteristiche L’anisotropia geometrica che è all’origine dell’elliptic flow si attenua con l’evoluzione del sistema Anche in caso di espansione libera (sistema non interagente) l’eccentricità della fireball diminuisce con l’aumentare della dimensione del sistema I gradienti di pressione che sono all’origine dell’elliptic flow sono più forti nei primi istanti dopo la collisione L’elliptic flow è quindi particolarmente sensibile all’equazione di stato (i.e. velocità del suono) del sistema nei primi istanti della collisione Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Risultati di RHIC Confronto del flusso ellittico con un modello idrodinamico. Il “QGP” è un fluido ideale (fortemente interagente) a viscosità quasi nulla. Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Coalescenza L’anisotropia di tipo ellittico segue uno scaling con il numero di partoni costituenti: PRL 92 (2004) 052302; PRL 91 (2003) 182301 P. Sorensen Se il flusso ellittico è prodotto nella fase partonica, quando il sistema adronizza ogni particella riceve un v2 e un pT in dipendenza del suo contenuto di quark. Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Coalescenza (II) 1 2 3 4 5 [GeV/c] 10-1 10-2 10-3 10-4 dN/pTdpTdy PRL 92 (2004) 052302; PRL 91 (2003) 182301 P. Sorensen Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Jet Quenching (Gluon Strahlung): (Baier, Schiff, Zakharov, hep-ph/0002198; Baier, NPA715(03)209) x=w/E<<1 Vacuum: Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Jet quenching in parton medium (BDMPS-WS) path length L l kT w Energy loss dipende da: , medium transport coefficient color coupling factor: 4/3 per q, 3 per g “Dead cone” effetto per quark molto massivi: Nel vuoto, la radiazione di gluoni è soppressa a q < mQ/EQ Baier, Dokshitzer, Mueller, Peigne‘, Schiff, NPB 483 (1997) 291. Salgado, Wiedemann, PRD 68(2003) 014008. Dokshitzer and Kharzeev, PLB 519 (2001) 199. Armesto, Salgado, Wiedemann, PRD 69 (2004) 114003. Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Dead cone Mass effects on radiation: nel vuoto c’è il cosiddetto “dead cone effect” per particelle molto massive Dokshitzer, Kharzeev (PLB519(01)199) Hanno proposto che la stessa cosa avvenisse nel mezzo ma non si ha avuto ancora nessuna evidenza sperimentale Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 23

Un mezzo “colorato”: Il Jet Quenching Fotoni: no interazione con il mezzo. Adroni: interazione con il mezzo Rapporto tra i prodotti in collisioni AuAu e collisioni pp. Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Dipendenza di q dalla centralità ^ Un buon accordo con I dati è ottenuto per un valore: q ~ 14 GeV2/fm ^ A. Dainese, C. Loizides and G. Paic, Eur. Phys. J. C 38, 461-474 (2005) Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Modificazione della strutura del jet a seguito dell’interazione con il mezzo N. Borghini and U. A. Wiedemann, hep-ph/0506218 & ALICE PPR Vol. II, Chapter 6 Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Geometria della collisione Produzione di una coppia di Jet L1 Proprietà: L1≠L2 Forte dipendenza dal parametro d’impatto (b) ΔEi aumenta con Li L2 Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Correlazioni di particelle Il metodo tradizionale consiste nel considerare le distanze angolari tra una particella ad alto pT (particella leading) e tutte le altre particelle dello stesso evento con un pT elevato. Definite le due soglie di impulso trasverso (pTlead, pTassoc) si considerano gli eventi con almeno una particella carica di pT > pTlead e si graficano le distribuzioni angolari di tutte le particelle dell'evento con impulso pT > pTassoc. In tal modo si selezionano le correlazioni delle particelle appartenenti al jet la cui direzione è data dalla particella leading dell'evento. Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Risultati di STAR sulle correlazioni a 2 particelle Phys.Rev.Lett.91:072304,2003 4 < pTtrig < 6 GeV/c 2 GeV/c < pTcorr < pTtrig In questo pT range, solo per collisioni AA centrali, le correlazioni back-to-back sono soppresse. Aumentanto il pT della particella di trigger le correlazioni back-to-back tornano visibili. [STAR Collaboration] arXiv:nucl-ex/0604018 Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

RHIC: Correlazione a due particelle Au+Au periferici Au+Au centrali |ηparticle| < 0.7 Ptrig > 4 GeV/c, Pcorr > 2 GeV/c Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Ancora sui risultati di RHIC: correlazioni a 2 particelle In basso è riportata la dipendenza della soppressione delle correlazioni back-to-back in funzione della centralità della collisione. No centrality dependence D + Au AuAu central Suppressed when centrality increases J. Adams et al. [STAR Collaboration], Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 072304 J. Adams et al. [STAR Collaboration], Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 162301

Dipendenza dalla centralità periferiche Contropicco: Sopressione del jet Spostamento del picco: Risposta del mezzo Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

conical flow? 3-particle correlation pTtrig=3-4, pTassoc=1-2 GeV/c 2-particle corr, bg, v2 subtracted Dφ2=φ2-φtrig d+Au min-bias dN2/dΔφ1dΔφ2/Ntrig Dφ1=φ1-φtrig Au+Au 10% Three regions on away side: center = (p, p) ±0.4 corner = (p+1,p+1) ±0.4 x2 cone = (p+1,p-1) ±0.4 x2 away near Medium mach cone Df1 Df2 p difference in Au+Au average signal per radian2: center – corner = 0.3 ± 0.3 (stat) ± 0.4 (syst) center – cone = 2.6 ± 0.3 (stat) ± 0.8 (syst) Medium away near deflected jets Df1 Df2 p L’effetto Mach cone non si vede nei dati Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Correlazioni in due dimensioni: Δ- Δ Analisi in 2 dimensioni Allungamento in Δ sotto il picco del jet: il “ridge” Dh beam direction jet+ridge ridge  1.5 GeV/c <pTassociated< pTtrigger pTtrigger=3-6 GeV/c,   ridge jet    Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17

Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17 Commenti Il cosiddetto QGP (plasma di quark e gluoni) è stato investigato intensivamente al SPS e soprattutto a RHIC Evidenze di una fase all’equilibrio termodinamico sono state riportate (rapporti di particelle vs. modelli statistici) Le proprietà osservate sono associabili alle dinamiche di un fluido più che a un plasma vero e proprio (gas perfetto), fortemente interagente via QCD (Jet Quenching, elliptic flow) Diversi osservabili rivelano la natura partonica dei costituenti del mezzo (J/ѱ suppression, elliptic flow) LHC (e in particolare ALICE) investigheranno nuovi effetti in regimi ancora più estremi sulla scia di quanto già osservato a RHIC Fisica subnucleare - F. Noferini Martedì 17/05/11, 15-17