Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 Fisica Subnucleare Modulo: collisioni ultrarelativistiche di nuclei pesanti 4a lezione Dr. Francesco Noferini Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 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 Lunedì 23/05/11, 12-14

LHC (Large Hadron Collider) Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 L’esperimento ALICE Capacità di rivelare diversi tipi di segnali (fisica variegata): Alte molteplicità; Identificazione delle particelle; Misure di impulso; Segnali leptonici (elettroni, muoni, …); Misure di centralità; Fotoni e segnali ad alto pT. Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Il rivelatore ALICE TRD TOF TPC HMPID PMD ITS FMD T0,V0,ZDC Muon Arm Solenoid magnet 0.5 T TPC HMPID PMD ITS Muon Arm FMD T0,V0,ZDC PHOS

Range di identificazione in ALICE Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Produzione di particelle in collisioni pp Confronto (entro 1 ) tra ATLAS, ALICE, CMS a parità di condizioni sperimentali η = -1 η = 0 η = 1  45o z Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Distribuzione di energia Distribuzioni di impulso (energia) delle particelle prodotte in collisioni pp all’energie nel centro di massa di 900 GeV e 7 TeV. Riferimento per collisioni PbPb e fisica dei jet Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Distribuzioni per particelle identicate Particelle d’impulso trasverso superiore a 0.5 GeV/c sono state identificate utilizzando il TOF (sez. Bologna) TOF range Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Rapporti di particelle A LHC sono stati misurati i rapporti di particelle a volori di energia e di impulso trasverso più alti rispetto agli esperimenti precedenti. Aumento della produzione di mesoni con stranezza. Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 Collisioni PbPb Event display di ALICE in collisioni PbPb Nel passaggio dalle collisioni pp a quelle PbPb si passa a scenari di elevatissima molteplicità di particelle (diverse migliaia in questo event display) Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Centralità in collisioni ione-ione Quark e gluoni prodotti nei primi istanti della collisione b Parametro di impatto Regione di sovrapposizione dei due nuclei QGP Nucleoni (n,p) che non partecipano alla collisione La centralità della collisione può essere espressa anche in termini dei nucleoni che partecipano alla collisioni (Npart) Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

dNch/dh vs. centralità (PbPb) Molteplicità di particelle cariche in eventi PbPb in funzione della centralità Fino a 1600 tracce cariche per unità di rapidità nelle collisioni più centrali Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Distribuzioni per particelle identicate (pp vs. PbPb) Le distribuzioni in impulso delle particelle hanno comportamenti diversi passando da collisioni pp a collisione PbPb (per esempio la produzione dei protoni si avvicina ad alto impuslo a quella dei pioni in collisioni centrali) Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Identificazione di particelle in singoli eventi L’elevata moltiplicità in collisioni PbPb centrali consente di misurare chiaramente i picchi delle particelle maggiormente prodotte in singoli eventi. Fluttuazioni nei rapporti, evento per evento, danno informazioni sulla dinamica nel meccanismo di produzione di particelle. Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 Antimateria Segnali di anti-elio osservati da ALICE in eventi PbPb MB. Alcuni candidati 4He selezionati. Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 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 Lunedì 23/05/11, 12-14

J/ψ a LHC (collisioni pp) La produzione della J/ψ in funzione dell’energia segue l’andamento delle previsioni pQCD al NLO Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

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 Lunedì 23/05/11, 12-14

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 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 Lunedì 23/05/11, 12-14

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 Elliptic Flow in ALICE Le misure a LHC del flusso ellittico sono già competitive con quelle di RHIC e l’identificazione di particelle permette di investigare diversi scenari Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Confronto tra le diverse specie Per collisioni ad alte centralità la descrizione dei modelli idrodinamici che funzionavano a RHIC non descrivono il flusso dei protoni Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Flusso ellittico per quark Anche normalizzando al numero di quark (coalescenza) i protoni si discostano dai pioni per alte centralità Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

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 Lunedì 23/05/11, 12-14

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 Lunedì 23/05/11, 12-14

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 Lunedì 23/05/11, 12-14

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 Lunedì 23/05/11, 12-14

“Ridge” in collisioni pp: CMS Correlazioni a lungo raggio: arXiv:1009.4122 Prima osservazione di simili correlazioni in collisioni pp in eventi di alta molteplicità Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Dipendenza dalla centralità periferiche Contropicco: Sopressione del jet Spostamento del picco: Risposta del mezzo Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Correlazioni di particelle a LHC Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

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 a RHIC Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Correlazione a 3 particelle (LHC) 2.5 < pTTrigger < 4 GeV/c 1 < pTAssociated < 2 GeV/c Proiezione nella direzione fuori dalla diagonale Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 Soppressione nei jet Produzione di una coppia di jet In una collisione PbPb la la formazione di un mezzo denso (QGP) può portare alla soppressione di particelle di alto impulso L1≠L2 Forte dipendenza dal parametro d’impatto(b) ΔEi aumenta con Li L1 L2 Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

RAA ALICE, soprressione segnali con grandi momenti (jet quenching) STAR/ PHENIX ALICE Estesa la misura di jet quenching all’energia di 7 TeV e fino ad impulsi di 20 GeV/c

Ancora sul rapporto RAA a LHC Dipendenza dalla centralità, energia del jet e quark Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Jet quenching in PbPb@2.76 ATeV ATLAS Assimmetria nell’energia dei jet (leading - subleading): definizione comune ad ATLAS e CMS arXiv:1102.1957 Correlazione angolare dei jet leading e jet subleading Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Jet quenching (ATLAS e CMS) Passando da collisioni periferiche a collisioni centrali: il jet subleading ha un’energia più piccola del jet leading la correlazione angolare si allarga

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 Jet quenching (CMS) Submitted to Phys. Rev. C Passando da jet subleading con piccolo quenching a quelli con altro quenching è stato osservato un sensibile cambio nella forma del jet Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14

Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14 Conclusioni L’attività ad LHC (2009-2010) ha permesso la caratterizzazione degli eventi in collisioni pp e PbPb in intervalli di energia e di molteplicità fino ad allora inesplorati con il contributo di tutti gli esperimenti principali Nel Novembre del 2010 abbiamo avuto le prime collisioni PbPb e sono stati osservati in breve tempo segnali interessanti in alcuni casi confrontabili con quelli del RHIC per precisione L’innovazione nei rivelatori ha permesso inoltre di ampliare il numero di osservabili: Identificazione di particelle a impulsi più elevati (ALICE-TOF) Jet ad altissimo impulso per l’analisi del jet quenching in collisioni PbPb (ATLAS e CMS) Fisica subnucleare - F. Noferini Lunedì 23/05/11, 12-14