Fisica Subnucleare
Modulo: collisioni ultrarelativistiche
di nuclei pesanti
3a lezione
Dr. Francesco Noferini
Fisica subnucleare - F. Noferini
Martedì 17/05/11, 15-17
1
Sommario del modulo
• Motivazioni: il deconfinamento
• Collisioni nucleo-nucleo
• Risultati sperimentali in collisioni nucleonucleo (SPS,RHIC)
• Risultati ad LHC e prospettive
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2
Modelli termici vs. produzione
adroni
• Modello Gran Canonico
– No vincolo sul numero di particelle prodotte
– Produzione degli adroni:
Ni / V 
gi
2 3 
1
d3p
 E   B Bi   s Si 
 1
exp  i
Tchem


– 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
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3
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!
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4
Chemical freeze-out
STAR white paper
Nucl Phys A757 (05) 102
short lived
resonances
Tch
gs
•Tch ≈ TC ≈ 165 ± 10 MeV
Chemical freezeout ≈ hadronization.
•s ~ u, d
La stranezza è all’equilibrio termico.
Ni / V 
5
gi
Si
g
2 3 s
1
3
d
p
  E  B  S 
B i
s i
 1
exp  i
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T
chem


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Soppressione del Quarkonio e aumento
della stranezza e della produzione del
mesone Φ
u,d,s
Soppressione QQ
ms ~ Tc
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lunedì 16/05/11, 12-14
Produzione di quark s
6
Aumento della stranezza (SPS)
NA57: JPG32, 427 (2006)
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7
Aumento della stranezza (RHIC)
STAR: PRC77, 044908 (2008)
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8
Sopressione della J/ψ
Matsui and Satz hanno predetto la soppressione della produzione di J/y
nel Quark Gluon Plasma (1986)
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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
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10
SPS: J/ψ suppression
Soppressione della
J/ψ in funzione della
densità di energia
nella collisione.
1 dE

Sc 0 dy
y 0
Bjorken’s formula
Transverse dimension S :
2
S    RPb
RA  1.2fm  A1/ 3
RPb  1.2fm  (208)1/ 3  7.1fm
S  160fm 2
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11
RHIC: J/ψ suppression
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12
Johanna Stachel
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Strong QGP: il flusso ellittico
dN/dφ
L’espansione è guidata da
un gradiente di pressione
Le particelle sono emesse
più probabilmente lungo il
piano di reazione
2v2
d 3N
1
dN 

E 3 
1   2vn cosn  R 
dp
2 pt dpt dy  n 1

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Hydro+Jet model
Hydro+Jet model
y
(T.H. & Y.Nara (’02))
Colore: parton density
Punti: mini-jets
Au+Au 200AGeV, b=8 fm
x
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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
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collisione
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17 17
Risultati di RHIC
Confronto del flusso
ellittico con un
modello idrodinamico.
Il “QGP” è un fluido
ideale (fortemente
interagente) a viscosità
quasi nulla.
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Coalescenza
L’anisotropia di tipo ellittico segue uno scaling con il numero di
partoni costituenti:
PRL 92 (2004) 052302; PRL 91 (2003) 182301
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.
1 
v ( pT )  nv2  pT 
n 
h
2
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P. Sorensen
19
10-1
PRL 92 (2004) 052302; PRL 91 (2003) 182301
dN/pTdpTdy
Coalescenza (II)
10-2
10-3
10-4
1
2
3
4
5
[GeV/c]
1 
v ( pT )  nv2  pT 
n 
h
2
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P. Sorensen
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Jet Quenching (Gluon Strahlung):
(Baier, Schiff, Zakharov, hep-ph/0002198; Baier, NPA715(03)209)
x=w/E<<1
●
Vacuum:
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Jet quenching in parton medium
(BDMPS-WS)
E   s CR qˆ L
2
path length L
w
kT
l
Energy loss dipende da:
CR
qˆ 
color coupling factor: 4/3 per q, 3 per g
kT2
l
, medium transport
coefficient
“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.
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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
●
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23
23
Un mezzo “colorato”: Il Jet Quenching
dN / dp 
R p  
N dN / dp 
0
AA
T AA
T
coll
0
T pp
Fotoni: no interazione
con il mezzo.
Adroni: interazione con
il mezzo
Rapporto tra i prodotti in collisioni AuAu e collisioni pp.
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^ dalla centralità
Dipendenza di q
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)
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25
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
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Geometria della collisione
Produzione di una coppia di Jet
Proprietà:
L1
• L1≠L2
• Forte dipendenza dal
parametro d’impatto (b)
• ΔEi aumenta con Li
L2
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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.
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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-toback sono soppresse.
Aumentanto il pT della
particella di trigger le
correlazioni back-toback tornano visibili.
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[STAR Collaboration]
arXiv:nucl-ex/0604018
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RHIC: Correlazione a due
particelle
Au+Au periferici
Au+Au centrali
|ηparticle| < 0.7
Ptrig > 4 GeV/c, Pcorr > 2 GeV/c
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Ancora sui risultati di RHIC: correlazioni a 2 particelle
4  pTtrig  6 GeV/c
2 GeV/c  pTassoc  pTtrig
In basso è riportata la dipendenza della
soppressione delle correlazioni backto-back in funzione della centralità
della collisione.
pTtrig  8 GeV/c
No centrality
D + Au dependence
AuAu central
Suppressed when
centrality increases
J. Adams et al. [STAR Collaboration], Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 072304
31
J. Adams et al. [STAR Collaboration], Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 162301
Dipendenza dalla centralità
periferiche
centrali
Contropicco: Sopressione del jet
Spostamento del picco: Risposta del mezzo
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conical flow? 3-particle correlation
pTtrig=3-4, pTassoc=1-2 GeV/c
2-particle corr, bg, v2 subtracted
φ2=φ2-φtrig
near
d+Au min-bias
f2
Medium
away
φ2=φ2-φtrig
near
0

Au+Au 10%
f1
away
deflected jets
33
dN2/dΔφ1dΔφ2/Ntrig
f2
Medium
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)

0
mach cone

0
0

f1
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φ1- =F.φ
1-φtrig
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Three regions on away side:
center = (, ) ±0.4
corner = (+1,+1) ±0.4 x2
cone = (+1,-1) ±0.4 x2
L’effetto Mach
cone non si vede
nei dati
Correlazioni in due dimensioni: Δ- Δf
• Analisi in 2 dimensioni
• Allungamento in Δ
sotto il picco del jet: il
“ridge”

beam direction
ridge

pTtrigger=3-6 GeV/c,
1.5 GeV/c <pTassociated< pTtrigger
jet+ridge


jet
ridge
f

f
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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
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