e la fisica degli ioni pesanti L’esperimento ALICE e la fisica degli ioni pesanti

Sommario energia del centro di massa ( ) 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? L’esperimento ALICE a LHC Altri esperimenti sugli ioni pesanti (SPS, RHIC)

Definizioni utili/1 Energia del centro di massa Pµ1=(E1,p1c) Pµ2=(E2,p2c) Energia del centro di massa N.B. Pµ è invariante relativistico → non dipende dal sistema di riferimento (Pµ Pµ=M2c4=E2-p2c2) Sistema c.m.: E1=E2=E p1= - p2 m1 = m2 →√s è l’energia 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

Definizioni utili/2 π p (E,pc)p Pµ1=(E1,p1) Pµ2=(E2,p2)  D0 K+ (E,pc)K Asse z Asse z Momento Longitudinale pz: diretto lungo l’asse z dei fasci Momento Trasverso pT: sul piano (trasverso) perpendicolare all’asse z Angolo θ: è l’angolo tra la direzione della particella e l’asse z

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

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

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 ~ 10 ms dopo il Big Bang LHC Universo primordiale Baryon density Temperature RHIC Quark-Gluon Plasma Gas di adroni Materia nucleare Tc ~ 170 MeV SPS AGS Stelle di neutroni ~ 5 - 10 nuclear r 0 (nuclei) = 0.17 nucleoni/fm3

Evoluzione spazio-temporale di una collisione K f Freeze-out L m QGP g e jet Pre-equilibrium time g e Hadronization  Expansion  space Pb J.Harris

Come si diagnostica il QGP? Sfida sperimentale: trovare nello stato finale quali sono le osservabili dell’eventuale transizione di fase “hard probes” ad alto pT 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 pT  provenienti da stadi successivi della collisione (adronizzazione) → abbondanze e rapporti tra particelle identificate → correlazioni tra particelle → espansione dinamica della collisione (flow)

L’esperimento 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 10 30cm-2 s -1; Collisioni di ioni pesanti Pb-Pb con 5.5 TeV per coppia di nucleoni, con L=10 27cm-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).

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

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

Il magnete di ALICE

Il sistema di tracciamento interno (ITS) I rivelatori del barrel/1 Il sistema di tracciamento interno (ITS) Rout=43.6 cm Lout=97.6 cm SPD SSD SDD 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

La camera a proiezione temporale (TPC) I rivelatori del barrel/2 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%) CO2 (10%) Materiale  ridotto al minimo Lavora in regime proporzionale  misure di deposizione di energia

Rivelatore a radiazione di transizione (TRD) I rivelatori del barrel/3 Rivelatore a radiazione di transizione (TRD) -0.9<<0.9 Superficie: 800 m2 – alta granularità Identificazione di elettroni p>1 GeV/c RADIATORE: induce la radiazione di transizione se g > 2000 Camera a fili MWPC

Rivelatore a tempo di volo (TOF) I rivelatori del barrel/4 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 Rivelatore a tempo di volo (TOF) -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

Rivelatore di particelle di alto momento (HMPID) I rivelatori del barrel/5 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 Calorimetro elettromagnetico (PHOS) Accettanza ridotta (-0.12<<0.12) Rivelazione di fotoni: prodotti nella collisione (prompt) prodotti da decadimenti di 0, ,...

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

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

Strumenti offline AliRoot Analisi Geant / Fluka Risposta Monte Carlo Geant / Fluka Risposta dei rivelatori Hijing, Pythia Mix di eventi (segnale + fondo) AliRoot Analisi Ricostruzione Tracciamento ROOT: Strumento software sviluppato al CERN in C++  analisi matematiche avanzate

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

Ricostruzione di vertici primari La coordinata Zv è stimata con una correlazione tra i primi 2 layer dell’ITS (PIXEL) in una ristretta finestra azimutale () (in questo caso un’alta molteplicità aiuta!) Pb-Pb : z  510 m x = Y  25 m

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

Analisi Ricostruzione di J/, , ’, “ nel canale μ+μ- Ricostruzione di D0K-+

Analisi/2 K0s -+ f  K+K  -p

Una collisione Au-Au a ~ 130 A-GeV di Energia nel CM Gli altri esperimenti con gli ioni pesanti Esperimento NA49 @SPS (CERN): Una collisione Pb-Pb a 158 GeV/nucleone (1996) Una collisione Au-Au a ~ 130 A-GeV di Energia nel CM STAR@RHIC (BNL) Central Event (2000)

Alcuni risultati pedestal and flow subtracted Phys Rev Lett 91, 072304 H. Santos, "Psi' production in nucleus-nucleus collisions at the CERN/SPS". Phys Rev Lett 91, 072304 pedestal and flow subtracted

The end

Identificazione di particelle (PID)/1 TRD e /p PHOS g /p0 TPC + ITS (dE/dx) p/K K/p e /p HMPID (RICH) TOF 0 1 2 3 4 5 p (GeV/c) 1 10 100 p (GeV/c) p, K, p identificati in una grande accettanza (2p × 1.8 unità h) combinando misure di dE/dx in ITS e TPC e misure di tempo nel TOF. Range: da ~200 MeV to 2 (p/K) - 3.5 (K/p) GeV/c Elettroni identificati da 200 MeV/c to 100 GeV/c combinando ITS+TPC+TOF con il TRD In una piccola accettanza l’HMPID estende la PID a ~5 GeV Fotoni misurati con un’alta risoluzione nek PHOS

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 l’energia 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]