Mění se vlastnosti částic uvnitř velmi hustého a horkého prostředí? aneb

jak studujeme vlastnosti silné interakce

1. Úvod

2. Současný pohled na strukturu hmoty

3. Superhorké a superhusté stavy hmoty

3.1 Nejteplejší a nejhustší hmota v laboratoři 3.2 Stavová rovnice takové hmoty 3.3 Jak a jaké veličiny měříme? 3.4 Fázové přechody

4. Jak zkoumat vlastnosti částic v takovém prostředí 4.1 Jak získat horkou a hustou jadernou hmotu

4.2 Proč využívat vektorové mezony? 4.3 Jak zachytit di-leptonové páry? 4.4 Jak výsledky analyzovat?

4. Co se zatím zjistilo?

5. Závěr

Vladimír Wagner

Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 Řež, E_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZ, WWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/

„No dobrá,“ řekla kočka a tentokrát se ztrácela pomalounku od konečku ocasu až po škleb; ten chvíli ještě potrval, když už ostatek zmizel. „Kočku bez šklebu, to už jsem viděla kolikrát,“ pomyslila si Alenka,“ale škleb bez kočky! Něco tak zvláštního jsem jakživ neviděla!“ Lewis Carroll: „Alenka v Kraji divů”

Budovaný urychlovač LHC

Proč: Studium hmoty existující ve vesmíru Pochopení fundamentálních vlastností silných interakcí a vakua

Dosažená teplota: ~ 180 MeV = 2,1×1012 K Dosažená hustota: ~ 4 ρ0 = 1018 kg/m3

Jak: Urychlovač – produkce husté a horké hmoty (možnost prokázal urychlovač BEVALAC) Experimentální zařízení – studium této hmoty

Výbuch supernovy SN 2006gyv představách malíře

SIS, RHIC a LHC jsou kuchyně pro vaření hadronové a kvark-gluonové polévky

80. léta – začátek studia horké a husté hadronové hmotyZačátek 21. století – studium kvark- gluonového plazmatu studium změn vlastností částic (hadronů) v takové hmotě

Jak získat nejhustší a nejteplejší hmotu v laboratoři

Složení hmoty

Hmota je složena z částic - mezi nimi působí interakce

Důležité nástroje pro popis mikrosvěta:

1) Speciální teorie relativity - rychlosti blízké rychlosti světla, kinetická energie srovnatelná s klidovou2) Kvantová fyzika - velmi malé hodnoty veličin kvantový a pravděpodobnostní charakter, Heisenbergův princip neurčitosti

Atomová fyzika, fyzikální chemie

Jaderná fyzika

Fyzika elementárních částic

Superstrunové teorie? (rozměr 10-35 m)?

Hustota vody 103 kg/m3 Hustota jádra ~1018 kg/m3RATOM/RJÁDRO ~ 105 → VATOM/VJÁDRO ~ 1015

Standardní modelHmota je tvořena částicemi (fermiony s=1/2), mezi kterými působí interakce, které jsou zprostředkovány výměnou částic (bosony s=celé číslo 0 1)

Tři druhy interakcí: 1) Silná - kvantová chromodynamika (působí pouze na kvarky a z nich složené hadrony –baryony a mezony)

2) Elektromagnetická - kvantová elektrodynamika 3) Slabá - elektroslabá teorie

+ antičástice

Gravitace stojí mimo standardní model – je velmi slabá a v mikrosvětě se neprojevuje

tvoří běžnou hmota za normálních podmínek

výměnný charakterinterakcí

baryony – tři kvarky

mezony – kvark a antikvark

elektrický náboj

barevný náboj

Hadronyinteragují silně

složeny z kvarků

Stavová rovnice – fáze jaderné hmoty

E/A = f(P) = f(ρ,T) „měkká“ jakopružná guma

vodaled

pára

plazma

„tvrdá“ jako ocelová koule

atomové jádro nitro neutro-

nových hvězd

jaderná srážka

počátek vesmíru

Jak měřit teplotu?

Jak měřit tlak?

1) Energetické spektrum vyzařovaných částic2) Poměr mezi produkcí různých izotopů nebo částic3) Spektra brzdných fotonů

Jak určit transformovanou kinetickou energii?

1) Určení počtu produkovaných částic.2) Ztracená kinetická energie v podélném směru3) Různá centralita srážky → různá velikost přeměněné energie

Velikost kolektivních toků jaderné hmoty

Jak určit hustotu?

Jak měřit rychlost rozpínání a rozměr?

1) Dopplerův posuv v energetických spektrech vyzařovaných částic2) Interferometrie identických částic

1) Určení rozměru a jeho změny v předchozím případě a znalost celkové hmotnosti a energie

Rozdělení nukleonů při srážce Kolektivní toky nukleonů

Fázový přechod jaderné kapaliny v hadronový plyn.

Fázové přechody jaderné hmoty a vody (H2O) a tvar příslušných potenciálů – jsou podobné, prvního druhu

Ohřívaná voda

Ohřívaná jaderná hmota

Nová forma jaderné hmoty - kvark-gluonové plazma

V normálním prostředí jsou barevné kvarky uvězněny v hadronech silnou interakcí zprostředkovanou gluony

Uvěznění a asymptotická volnost kvarků jsou základní vlastností kvantové chromodynamiky – teorie silných interakcí

David J. Gross, H. David Politzer a Frank Wilczek – Nobelova cena za fyziku 2004 právě za studium silné interakce a roli asymptotické volnosti

kvark-gluonové

plazma

Při vysoké hustotě energie, vysoké teplotě či hustotě – uvolnění kvarků z hadronů, velká hustota gluonů → kvark-gluonové plazma

Frank Wilczek

Srážky jader na urychlovačiET > 10 GeV/n

Velký třeskv čase kratším než 10 μs

Změny vlastností částic (hadronů) uvnitř horké a husté hmoty

M(hadronu) > M(kvarků)

M(atomu) < M(jádra)+M(elektronů)

Proč 64 kg a ne <1.4 kg?

mu = 1 - 5 MeV md = 3 - 9 MeV

Hmotnosti volných kvarků (tzv. proudové hmotnosti) u a d mají původ v Higgsově mechanismu a jsou poměrně nízké:

mp = 938 MeV mn = 940 MeV

p = uud n = udd

Nukleony jsou mnohem komplikovanější mnohočásticový systém tzv. konstituentních kvarků a vakua z kvark-antikvarkových párů a gluonů vázaný silnou interakcí

Hmotnost hadronů dána vlastnostmi silné interakce a symetriemi (jejich narušeními) s ní spojených – chirální symetrie

vazebná energie

M(jádra) < M(protonů)+M(neutronů)

Platí:

Ale:

Mění se s hustotou energie v prostředí a intenzitou interakce

(studujeme hadronovou hmotu)D

otýk

áme

se

pů

vod

u h

mot

nos

ti

Největší současný urychlovač těžkých jader - RHIC

Jak získat hustou a horkou hmotu?

Srážky při relativistických energiích

E = 1.5 GeV/nukleonE = 10.6 GeV/nukleon

Simulace frankfurtské skupiny WWW stránky H. Webera

(energie na nukleon blízká nebo několikrát větší než jeho klidové energii)

Protony - červenéNeutrony - bíléExcitované nukleony - modréMezony - zelené

Simulace hydrodynamického modeluUrQMD

Srážky při ultrarelativistických energiích

E = 5000 GeV/nukleonE = 200 GeV/nukleon

Simulace frankfurtské skupiny WWW stránky H. Webera

(energie na nukleon větší než 100 GeV vysoce převyšuje jeho klidovou energii)

Protony - červenéNeutrony - bíléExcitované nukleony - modréMezony - zelené

Simulace hydrodynamického modeluUrQMD

Cesta vzniklých částic a jejich zachycení detektory experimentu Phenix

Srážka jader zlata z pohledu experimetu Phenix

Vyznačeny dráhy detekovaných částic

Doba existence horké a husté jaderné hmoty: ~ 10-22sCesta vzniklých částic k detektorům : ~ 10 ns = 10-9 s

Vektorové mezony a jejich vlastnosti

Detekce e+e- párů

určení invariantní hmotnosti vektorového mezonu

mezon Dominantní P(e+e-) m [MeV] Γ [MeV] τc [fm=10-15m] rozpad ρ0 ππ 4,5.10-5 770 MeV 149,2 1,3 ω π+π-π0 6,9.10-5 782 MeV 8,49 23,4 Φ K+K- 2,9.10-5 1019 MeV 4,26 46,3

Detekce rozpadu na pár elektron a pozitron → nepoznamenaná informace o vlastnostech částic

Spin vektorových mezonů je 1, skalárních pak je 0

Změna hmotnosti i doby života

c

c

s23100,3fm/c1

c

fmMeV

c

c

3,197

průměr jader: od 2 fm do 16 fm

Spektrometr High AcceptanceDi-lEpton Spectrometer

svazek

Mezinárodní experimentální zařízení pracující na urychlovači SIS v GSI Darmstadt

Cíl: Studium vlastností vektorový mezonů uvnitř jaderného media

Nutno splnit: 1) Efektivní identifikace elektronů a pozitronů na pozadí obrovského množství hadronů 2) Co nejefektivnější výběr případu vhodných případů už během nabírání dat 3) Co nejpřesnější určení hybnosti zaznamenaných částic (určení invariantní hmotnosti)

Rozložený spektrometr HADES

Srdce spektrometr – Čerenkovův detektor

Plyn C4F10

Reaguje jen na částice, které se pohybují rychlostí větší než rychlost světla v daném prostředí

Závisí na indexu lomu prostředín

1cos

Hraniční rychlost: βmin = 1/n

Elektron me=0,511 MeV/c2 → lehce dosáhne potřebné rychlosti

Mezony více než 200 krát těžší

Jak určit hybnost částic? – magnet a mnohodrátové driftové komory

Supravodivý magnetB ~ 0,9 T

heliové teploty

Změní směr pohybu nabitých částic

Relativistické rychlosti →nutnost velké intenzity pole

z dráhy určíme hybnost

Čtyři vrstvy komor, dvě před magnetem a dvě za magnetem

Mnohodrátová komora – několik vrstev drátů v různém směru. Určení místa z polohy a doby driftu náboje

Přesnost v řádu desítek μm

Komory před magnetem

Komory za magnetem

Jak sbírat jen užitečné případy – TOF stěna ze scintilátorů

Scintilační detektory – velmi dobré časové rozlišení ~130 ps

1) Určení rychlosti z doby letu2) Určení polohy z polohy tyče a rozdílu času

v levém a pravém fotonásobiči3) Určení náboje z ionizačních ztrát – jak

velký byl signál ve scintilátoru

Možnost vytvářet rychlý trigr – počet částic (čím větší tím centrálnější srážka)

Pomoc při identifikaci – TOF a detektor spršek

d p

Výběr částic s rychlostí světla pomocí TOF

Detektor spršek: pozitrony a elektrony produkují v olovu elektromagnetické spršky

Odlišení leptonů od hadronů

e+

e-

Čerenkov drátové komory a magnet TOF a sprškový detektor

Nutnost plného pochopení produkce a rozpadu standardních, dobře známých částic

Pozorování počtu produkovaných mezonů π v závislosti na hybnosti (vyjádřená v ekvivalentních kinematických veličinách)

Možnost určit teplotu zdrojů, které je produkují

Musí souhlasit s výsledky předchozích experimentů !

Souhlasí

Stejně tak musí souhlasit produkce nukleonů, jejich multiplicity, úhlová rozdělení

Testy v experimentu se srážkami p + p při energii 2,2 GeV

ee

R0

REXP = 15,3 ±1,8 RSIM = 15,6 ± 0,9

Hlavní úkol: otestovat přesnost určení efektivity detekce dileptonových párů

Terč kapalný H2 Svazek: 107 p/s

Hadronové a dileptonové kanály rozpadu mezonů π0 a η jsou velice dobře známy

Další zdroje di-leptonů – komplikované pozadí

Zdroje párů e+e-:

Kombinatorické pozadí – kombinace elektronu a pozitronu s různých zdrojů velmi důležité jeho popsání

π+π- anihilace

Δ – Dalitzův rozpad

brzdné zářenírozpad mezonu η

M(e+e-) [GeV/c2]

Au+Au1 GeV/n

kombinato-rické pozadí

η → e+e-

pn

10-10

10-8

10-6

0.4 0.8 1.2

φ→e+e-

ρ→ e+e-

ω→e+e-

Dileptonový „koktejl“

Důležité hybnostní rozlišení

Vytváří se tzv. dileptonový koktejl

pn

++

K

p

e+

e-

e+

e-

kombinatoricképozadí

koktejl

Předpověď- rozpad částic ve vakuuA – jen částice rozpadající se uvnitř horké a husté hmotyB – i částice rozpadající se vně horké a husté hmoty

HADESCERES – SPS CERN

a) Dileptonový koktejl – experiment body s chybami

b) Poměr experiment ku koktejl A

HADES: právě probíhající experiment

Detekce a dileptonových

rozpadů

Částice detekované v HADESU současně s detekcí

protonu v přední stěně

(nový detektorový systém HADESu)

Velmi předběžné

Produkce mezonů ω ve srážkách p + p a d + p

Závěr

• Srážky těžkých jader - možnost studia i velmi horké a husté hmoty vyskytující se jinak jen ve vesmíru

• Hlavním úkolem je pochopení vlastností systému interagujícího silnou interakcí a silné interakce samotné.

• Podrobné studium vlastností hadronů uvnitř horké a husté hmoty pomocí dileptonových párů – ideální objekty jsou vektorové mezony ρ, ω a Φ

• Spektrometr HADES – ideální přístroj pro takové studium

• Pozorovaná data ukazují náznaky změn hmotnosti vektorových mezonů

• Po dokončení výstavby začal spektrometr nabírat fyzikální data, důležitý je přechod k těžším systémům a provedení systematického studia srážek různých systémů za různých energiích

• Účast českých fyziků z ÚJF AVČR, příležitost i pro studenty