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
QGP
t=0
adroni
0<t<1 fm/c
freeze-out
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:
N coll (b)  ABsTAB (b)
Mediando sul parametro di impatto: <Ncoll>=ABs/sAB
E` naturale quindi studiare la soppressione della J/y in AB 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 :
J /y
S AB
J/y
s AB

J/y
ABs NN
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
Y’
c
J/y
Y’
J/y
c
J/y
c
J/y
J/y
… J/y
J/y
…
J/y
c
J/y
Y’
…
J/y
…
J/y
Y’
c
J/y
J/y
c
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.
S J /y  0.6S
dir
J /y
 0.3S c  0.1S
dir
dir
y'
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, OCu.
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:




2
S pA   d b  dz A (b, z ) exp  ( A  1)  dz ' A (b, z ' )s abs 



z
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:
2
2
S AB   d b  d s  dz A  A ( s, z A )  dz B  B (b  s, z B )








 exp  ( A  1)  dz ' A ( s, z ' )s abs  exp  ( B  1)  dz ' ' B (b  s, z ' ' )s abs 




zA
zB
I dati sperimentali (fino a S-U) sono ben riprodotti con
la stessa sabs
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 PbPb 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:
S J /y  0.6S
dir
J /y
 0.3S c  0.1S
dir
dir
y'
 0.6  0.3S c  0.1S
dir
dir
y'
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”. 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.
f
f
trigger
particle
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
qq  ll
Emissione termica dal
QGP, proporzionale a
eM/T prevista nella
regione intermedia.
fotoni termici
gq  gq
qq  gg
qg  qgg
Fondo enorme: fotoni emessi in ogni fase dell’evoluzione
del sistema: dalle collisioni primarie NN (fotoni diretti)
ai decadimenti delle particelle finali.