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Ralf Averbeck Stony Brook University
Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 8. Juni 2005
Medium Effekte in der Charm Produktion
Ein Blick ins Innere des Quark-Gluon Plasma
Ralf Averbeck,2Universität Bonn, 8. 6. 2005
Übersicht Einführung
Hochenergie Kernphysik: wieso, weshalb, warum? RHIC und seine Experimente
Das Medium am RHIC: Quark-Gluon Plasma? Schwere Quarks: Sonden für das Medium Ausgewählte Resultate:
Charm und J/ Produktion bei √sNN = 200 GeV– Proton-Proton Kollisionen: Referenz für nukleare Systeme– Deuteron-Gold Kollisionen: Effekte in kalter Kernmaterie– Gold-Gold Kollisionen: Effekte im heissen Medium
Zusammenfassung Ein Blick in die Zukunft
Ralf Averbeck,3Universität Bonn, 8. 6. 2005
Was geht uns das an? Der Stoff aus dem wir Menschen sind:
Organe Zellen Moleküle Atome Elektronen und
Kerne Protonen und
Neutronen Quarks und Gluonen
Letztere hat Niemand je gesehen!
Die Quarkmasse ist nur ~1 % der Nukleonmasse! Eigenschaften der starken Wechselwirkung: QCD
Ralf Averbeck,4Universität Bonn, 8. 6. 2005
Was ist das Besondere der QCD? Quantenchromodynamik QCD Das QCD Vakuum ist nicht leer!
Die Eichbosonen (Gluonen) tragen Farbladung (im Gegensatz zu Photonen in der QED)!
Farbeinschluss und Massengenerierung haben mit der Wechselwirkung von Quarks und Gluonen mit dem QCD Vakuum zu tun!
Ralf Averbeck,5Universität Bonn, 8. 6. 2005
Eine Lösung der QCD Puzzles? Der Schlüssel:
Zusammenfügen von Partonen zu Hadronen führt zu– Einschluss von Partonen (Träger von QCD Farbladungen)– „dynamischer“ Generierung von Masse (chirale Symmetrie)
„Einfrieren“ von Freiheitsgraden: Phasenübergang!
Der erste Versuch eines Parton-Hadron Phasen- übergangs war erfolgreich (vor 1010 Jahren)!
Mikrosekunden nach dem Urknall
Ralf Averbeck,6Universität Bonn, 8. 6. 2005
Eine Reise zurück in der Zeit Phasendiagramm stark
wechselwirkender Materie: der ideale QCD Spielplatz
Wie bringt man Kernmaterie in Extremzustände? mit Gewalt! relativistische Kern-Kern
Kollisionen
neutron stars
Quark Matter
Hadron Resonance Gas
Nuclear Matter
Color Superconductor
SIS
AGS
SPS
RHIC& LHC
early universe
B
T
TC~170 MeV
940 MeV 1200-1700 MeVbaryon chemical potentialte
mp
erat
ure
Ralf Averbeck,7Universität Bonn, 8. 6. 2005
Parameter zwei unabhängige Ringe 3.83 km Umfang Kollisionen von beliebigen Kernen
und polarisierten (!) Protonen Schwerpunktsenergie
– bis zu 500 GeV für p-p– bis zu 200 GeV für Au-Au (pro N-N Paar)
Luminosität– p-p : 2 x 1032 cm-2 s-1 – Au-Au: 2 x 1026 cm-2 s-1
RHIC RHIC = Relativistic Heavy-Ion Collider Standort: Brookhaven National Laboratory
Ralf Averbeck,8Universität Bonn, 8. 6. 2005
Experimente am RHIC
STARSTAR
Ralf Averbeck,9Universität Bonn, 8. 6. 2005
PHENIX: im Prinzip3 Detektoren zur Ereignischarakterisierung
Vertexposition Zentralität: peripher oder zentral? Reaktionsebene
2 Forwärtsspektrometer Muonen Pseudorapidität
1.2 < || < 2.4 Impuls p 2 GeV/c
2 zentrale Spektrometer Hadronen Elektronen Photonen Pseudorapidität 0.35 Impuls p 0.2 GeV/c
Ralf Averbeck,10Universität Bonn, 8. 6. 2005
PHENIX in der Realität
Ralf Averbeck,11Universität Bonn, 8. 6. 2005
Spektroskopie in PHENIXSpurrekonstruktion
und Impulsmessung im Magnetfeld Driftkammer (DC) Padkammern (PC) Identifizierung von
TeilchenPhotonen
–keine Spur–Schauer im
Kalorimeter (EMCAL)
Hadronen–Spur–dE/dx im EMCAL–Flugzeit
(EMCAL und TOF Szintillator)
Elektronen–Spur–Cherenkov Licht im RICH–Schauer im Kalorimeter (EMCAL)
Ralf Averbeck,12Universität Bonn, 8. 6. 2005
Eine Au-Au Kollision in PHENIX
Animation: Jeff Mitchell, BNL
Ralf Averbeck,13Universität Bonn, 8. 6. 2005
Anatomie einer Au-Au Kollisiontime
Harte Streuprozesse
AuAu
Hadronisierung
Ausfrieren
QGP Bildung und Thermalisierung
Raum
Zeit
Expansion
Jet cc e pK
QCD Tests:
Farbeinschluss
chirale Symmetrie
Ralf Averbeck,14Universität Bonn, 8. 6. 2005
Elektromagnetische Strahlung: , e+e,
selten, Sonden für alle Zeit-skalen, da starke Endzu- standswechselwirkung fehlt–Schwarzkörperstrahlung
anfängliche Temperatur– In-Medium Eigenschaften von
Mesonen Wiederherstellung der chiralen Symmetrie
Hadronen: , K, p häufig, “spät” produziert
(beim Ausfrieren)– Energiedichte– Thermalisierung– (kollektives Verhalten)
Sonden für alle Zeitskalen
Produktion von einigen Tausend Teilchen pro zentraler Kollision
b ~ 0
Au Kern Au Kern
p
p
cc
J
ee
“harte” Sonden: Jets, cc, direkte sehr selten, sehr früh produ-
ziert (vor QGP Formation)–durchdringen und wechselwirken
mit heissem und dichten Medium
Ralf Averbeck,15Universität Bonn, 8. 6. 2005
Das Medium am RHIC: EnergiedichteKernmaterie: p,n Quark-Gluon Plasma: q, g
Dichte oder Temperatur
Nukleonenabstand:2 r0 ~ 2.3 fm
Nukleonenradius: rn ~ 0.8 fm
Naive Abschätzung der kritischen Energiedichte Grundzustand kritisch: Nukleonenüberlapp
30
33
030
/15.0
/16.04
3
34
fmGeV
fmrR
A
3
330
/44.0
/47.04
3
fmGeV
fmr
c
n
Bjorken Model: longitudinale Expansion
KernradiusR ~ 6.5 fm
dz dy
2R
Formationszeit ~ 0.3- 1 fm
dy
dE
RdzR
dE
V
E TTBJ
22
1
BJ ~ 5 – 15 GeV/fm3
Ralf Averbeck,16Universität Bonn, 8. 6. 2005
Thermalisierung Gitter QCD
QCD Rechnungen auf einem diskreten Raum- Zeit Gitter
massiv parallele Computer
Phasenübergang für TC ≈ 170 MeV (1012 K) C ≈ 1 GeV/fm3
anfängliche Dichte und Temperatur am RHIC BJ = 5 – 15 GeV/fm3 Ti = 250 – 350 MeV
Gitter QCD für Dichte 0O. Kaczmarel et al., Phys. Rev. D 62, 034021 (2000)
Die Bedingungen für einen QCD Phasenübergang (Farbeinschluss und chirale Symmetrie) werden in
zentralen Au-Au Kollisionen am RHIC erfüllt!
Ralf Averbeck,17Universität Bonn, 8. 6. 2005
g
g
medium
„Harte“ Sonden für das Medium Ideale Experiment zur Strukturuntersuchung
Rutherford: → Atom Entdeckung des Atomkerns SLAC: Elektron → Proton Entdeckung der Quarks
Gluon oder Quark Jets Hadronen mit grossem
Impuls
Quark-Gluon Compton Streuung „direkte“ Photonen
„Tomographie“ des Mediums am RHIC Sonde muss zu Beginn der
Kollision „selbstgeneriert“ werden
Parton-Parton Streuung mit grossem Impulsübertrag
Wie gut sind diese Sonden im Rahmen der QCD verstanden?
Ralf Averbeck,18Universität Bonn, 8. 6. 2005
Direkte Photonen bei √sNN = 200 GeV Vergleich mit perturbativen QCD Rechnungen
p-p
Au-Au
Direkte Photonen sind eine kalibrierte Sonde Keine starke Endzustandswechselwirkung!
Nbinary:Zahl der bi-nären N-N Kollisionen; ergibt sich aus der Au-Au Kolli-sionsgeo-metrie
Ralf Averbeck,19Universität Bonn, 8. 6. 2005
Pionen in p-p
peripheralN
coll = 12.3 4.0
centralN
coll = 975 94
Au-Au Au-Au
Hadronen bei √sNN = 200 GeV perturbative QCD beschreibt die p-p Daten
binäres Skalieren der kalibrierten Sonde funktioniert in peripheren Au-Au Kollisionen
starke Hadronenunterdrückung in zentralen Kollisionen: konsistent mit Energieverlust durch Gluon-Bremsstrahlung
Hadronen bleiben
im Medium
stecken!
Ralf Averbeck,20Universität Bonn, 8. 6. 2005
Oder ist die Produktion unterdrückt? Modifikation der Parton Verteilung im Au-Kern
bei hoher Energie (Saturierung)? Kontrollexperiment: d-Au bei √sNN = 200 GeV
Kernmodifikationsfaktor:
Preliminary DataFinal Data
ppinAusbeuteN
AuAuinAusbeuteR
binaryAA
Hadronunterdrückung ist eindeutig ein
Endzustands Effekt!
Ralf Averbeck,21Universität Bonn, 8. 6. 2005
Charm (cc) (und Bottom, bb) Produktion in hadronischen Kollisionen harter Prozess (mq >> QCD)
– perturbativ berechenbar auch bei kleinem Impuls
– in führender Ordnung (LO):– Quark-Antiquark Annihilation– Gluon Fusion
– Prozesse höherer Ordung?– Produktion über Fragmentation?
Das Experimentierprogramm in p-p, d-Au, Au-Au Kalibrierung in p-p Kollisionen Suche nach Medium Effekten
– Änderung der Produktionsrate: thermische Produktion im heissen Medium?
– Wechselwirkung mit dem Medium Energieverlust, Fluss? Gebundene Zustände: Quarkonia (J,
Komplementär zu anderen harten Sonden
Charm Produktion
D mesons
, ’,
Ralf Averbeck,22Universität Bonn, 8. 6. 2005
PRL 94, 062301 (2005)
Ideal (aber sehr schwierig bei hohem Untergrund) Direkte Rekonstruktion von Zerfällen, z.B. STAR (in p-p und d-Au)
Wie misst man Charm Produktion?
Alternativ (aber indirekt) Beiträge semileptonischer Zerfälle
zu Leptonenspektren (Inklusiv & Paare)
STAR (p-p und d-Au)
c c
0DK
0D
K+
-
D0 K+ -
PHENIX: systematische e± Messungen in allen Systemen
Ralf Averbeck,23Universität Bonn, 8. 6. 2005
Referenz: e± in p-p bei 200 GeV viele Quellen tragen zum
inklusiven e± Spektrum bei
Untergrundbestimmung Berechnung eines e±
Cocktail von allen bekannten Quellen
Direkte Messung des dominanten Untergrundes
– Konverter Methode– e+e- Paar Rekonstruktion
Elektronenüberschuss semileptonische Zerfälle schwerer Quarks
PHENIX data
Ralf Averbeck,24Universität Bonn, 8. 6. 2005
Elektronenspektrum nach Untergrundabzug bei y = 0 PYTHIA: LO pQCD Rechnung
Parameter justiert zur Beschreibung aller Charm Daten bei kleineren Energien (√s ≤ 63 GeV)
Vergleich mit pQCD Rechnungen
PHENIX data
pT < 1.5 GeV/c: PYTHIA konsistent mit Daten
pT > 1.5 GeV/c: PYTHIA Spektrum „weicher“ als Daten „Harte“ Fragmentations-
funktion? Erhöhte Produktion von
Bottom? Beiträge höherer Ordnung?
Ralf Averbeck,25Universität Bonn, 8. 6. 2005
Vergleich mit pQCD Rechnungen FONLL: Fixed Order Next-to-Leading Log pQCD Rechnung
(M. Cacciari, P. Nason, R. Vogt hep-ph/0502203) Beiträge von Prozessen höherer Ordnung
Bessere Beschrei-bung der spektra-len Form
pQCD liegt syste-matisch unter den DatenWeitere Produktions-
mechanismenJet Fragmentation?
Nächster SchrittMuonen Produktion
bei grosser Rapidität (vorwärts/rückwärts)
Ralf Averbeck,26Universität Bonn, 8. 6. 2005
Anregungsfunktion der cc Produktion
Weitere Daten werden zum QCD Test benötigtCharm Wirkungsquerschnitt am RHIC: cc ≈ 1 mb x Nbinary
zentrale Au-Au Kollision: ≥ 20 cc (ohne Medium Effekte)!
Ralf Averbeck,27Universität Bonn, 8. 6. 2005
PHENIX PRELIMINARY
1/T
ABE
dN/d
p3 [m
b G
eV-2]
Kalte Materie: d-Au bei 200 GeV e± Spektrum nach
Untergrundabzug Differenz in der
Systemgröße zwischen p-p und d-Au Kollisionen
„harte“ Sonde ohne Medium Effekte: d-Au = Nbinary x p-p
d-Au ≈ p-p skaliert
Nukleares Überlappintegral TAB:
Wirkungsquerschnitt ↔ Multiplizität binäre Skalierung
.inelpp
binaryAB
NT
Ralf Averbeck,28Universität Bonn, 8. 6. 2005
1/T A
B1/
T AB
1/T A
B1/
T AB
1/T
ABE
dN/d
p3 [m
b G
eV-2]
1/T
ABE
dN/d
p3 [m
b G
eV-2]
1/T
ABE
dN/d
p3 [m
b G
eV-2]
1/T
ABE
dN/d
p3 [m
b G
eV-2]
Zentralitäts(un)abhängigkeit in d-Au
KEINE Anzeichen
für signifik
ante
Medium Effekte in
kalter K
ernmaterie!
Ralf Averbeck,29Universität Bonn, 8. 6. 2005
PHENIX: PRL 94, 082301 (2005)
Das heisse Medium: AuAu bei 200 GeV Spektren von e± aus Zerfällen
schwere Quarks für verschiedene Zentralitätsklassen
Statistik ist unzureichend zum Studium der spektralen Form für pT > 1.5 GeV/c
Totale Ausbeute für pT > 0.8 GeV/c
Totale Charm Ausbeute in Au-Au entspricht der binär skalierten Ausbeute in p-p (wie für einen harten pQCD Prozess erwartet)!
Ralf Averbeck,30Universität Bonn, 8. 6. 2005
ppAA
AAAA dT
dNR
PHENIX Preliminary
Charm in Au-Au: Spektren Kernmodifikationsfaktor RAA für e±
von schweren Quarks ist ver-träglich mit RAA(Hadronen)
Momentane Präzision ist nicht ausreichend zum Studium der Zentralitätsabhaängigkeit
Starke Medium Modifikation der spektralen Verteilung ist evident!
„Cocktail“ Analyse des voll-ständigen Au-Au Datensatzes
Anzeichen für Unterdrückung bei grossem pT!
RAA für Ausbeute ≥ 2.5 GeV/c
Ralf Averbeck,31Universität Bonn, 8. 6. 2005
pT [GeV/c]
RA
A
Energieverlust schwerer Quarks Gluon Abstrahlung ist im Vakuum unterdrückt im
„dead cone“: < m/E (Dokshitzer, Kharzeev: PLB 519(2001)199)
Im Medium kann der „dead cone“ durch Medium induzierte Strahlung gefüllt werden (Armesto, Salgado, Wiedemann: PRD 69(2003)114003)
M. Djordjevic et al., hep-ph/0410372
N. Armesto et al. PRD 69(2003)114003
Gemessene Unterdrückung bei grossem pT In vernünftiger Überein-
stimmung mit theoretischen Rechnungen
Kann verschiedene Szenarien unterscheiden
Mit Vorsicht zu geniessen! Momentaner Theorievergleich
vernachlässigt Bottom Produktion
Für pT ≥ 4 GeV/c ist in den Daten ein signifikanter Beitrag von B Zerfällen zu erwarten
Ralf Averbeck,32Universität Bonn, 8. 6. 2005
cc: wird früh produziert Kann gebundene Zustände bilden: J/ (wie?) Abschirmung der Farbladung im Medium
J/Unterdrückung (Matsui und Satz, PLB176(1986)416)
Gebundene cc Zustände: J/
Perturbative Vacuum
cc
Color Screening
cc in zentralen Pb-Pb Kollisionen am SPS J/Unterdrückung über “normale” nukleare
Absorption hinaus (NA50: PLB477(2000)28)
Aussichten am RHIC Höhrere cc Ausbeute als am SPS Möglicherweise J/ Anreicherung durch
cc Koaleszenz im abkühlenden Medium Wichtig: J/ Messung in p-p und d-A zur
Separation “normaler” Effekte in kalter Kernmaterie
Charm Messungen liefern wesentliche Vergleichsgrundlage
Ralf Averbeck,33Universität Bonn, 8. 6. 2005
J/ → e+e- bei zentraler Rapidität (y = 0) J/ → +- bei Vorwärts- und Rückwärtsrapidität Produktions Mechanismus?
Totaler Produktions- wirkungsquerschnitt ist konsistent mit
– „Color Octet“ Modell: cc Farbneutralisation durch Gluonabsorption
– „Color Evaporation“ Modell: Gluon fragmentiert zu cc und absorbiert weiteres Gluon
„Color Singlet“ Modell (cc Koaleszenz in Singlet Zustand) im Widerspruch zu PHENIX (und Tevatron) Daten
Weitere Informationen aus Polarisationsmessungen
Referenz: J/ in p-p bei 200 GeV
Ralf Averbeck,34Universität Bonn, 8. 6. 2005
gluons in Pb / gluons in p
X
Anti
Shadowing
Shadowing
Eskola, Kolhinen, Vogt, NP A696(2001)729
PHENIX North Muon Arm: y < 0
PHENIX Central Arms: y ≈ 0
PHENIX South Muon Arm: y > 0
Absorption in kalter Materie: d-Au/p-p < 2×197
Vielfachstreuung im Eingangskanal: „Verbreiterung“ der pT Verteilung in d-Au relativ zu p-p
Modifikation der Gluon Strukturfunktion im Kern „shadowing“ und „anti-shadowing“
J/ in kalter Kernmaterie: d-Au
Ralf Averbeck,35Universität Bonn, 8. 6. 2005
J/ in d-Au: „pT-Verbreiterung“
1972 ppdA
High x2
~ 0.09
Low x2
~ 0.003Zunahme von mit pT → „pT-Verbreiterung“ des J/(Vielfach-Streuung im Eingangskanal oder Cronin-Effekt)
Vergleichbar zu Daten bei niedrigerer Energie (√s = 39 GeV) (E866/NuSea: PRL 84(2000)3256)
Ralf Averbeck,36Universität Bonn, 8. 6. 2005
Klein,Vogt, PRL 91:142301,2003 Kopeliovich, NP A696:669,2001
PHENIX PRELIMINARY
J/ in d-Au/p-p als Funktion der Rapidität y Nukleare Absorption: Absolutwert des Verhältnis „(Anti)Shadowing“: Rapiditätsabhängigkeit
Indikation für schwache nukleare Absorption und schwaches „(Anti)Shadowing“ in den d-Au Daten
J/ in d-Au: Absorption/Shadowing
Ralf Averbeck,37Universität Bonn, 8. 6. 2005
J/→ee
R. L. Thews, M. Schroedter, J. Rafelski, Phys Rev C 63, 054905Plasma Coalescence Model
Binary Scaling
Stat.ModelAndronic et al nucl-th/0303036
Absorption (Nuclear + QGP) + final-state coalescence
Absorption (Nuclear + QGP)L. Grandchamp, R. Rapp, Nucl Phys A709, 415; Phys Lett B 523, 60
y = 1.0
y = 4.0
RHIC Run-4 Au-Au (wird z.Z. analysiert) Statistik vergrößert um
Faktor ~40 Bessere Massenauflösung Besseres Verhältnis von
Signal zu Untergrund Zusätzlich J/ → +-
Unterscheidung ver- schiedener Szenarien wird möglich
RHIC Run-5 (Cu-Cu) Daten zur Massenabhängigkeit
J/ in Au-Au: anomale Unterdrückung? RHIC Run-2 (Au-Au bei 200 GeV)
J/ → e+e- (~12 Ereignisse): PRC69, 014901,2004 Nicht sehr aussagekräftig
Ralf Averbeck,38Universität Bonn, 8. 6. 2005
Schematisches Massenspektrum mit möglichen Modifikationen durch den QCD Phasenübergang
Dileptonen: die ultimative Sonde
Chiral symmetry restorationcontinuum enhancement modification of vector mesons
thermal radiation or energy loss
suppression (enhancement)
Wiederherstellung der chiralen Symmetrie: Kontinuum bei niedrigen Massen
Neue Idee (E. Shuryak) gebundene (farbige)
Zustände im Quark-Gluon Plasma??
vorhergesagt für m ~ 2 GeV/c2!
Ralf Averbeck,39Universität Bonn, 8. 6. 2005
real and mixed e+e- distributionsreal - mixed = e+e- signal
net e+e-
e+e- from charm(PYTHIA)
e+e- from lighthadron decays
Dielektronen in Au-Au bei 200 GeV (Run-2) Kombinatorischer Untergrund ist groß
Dileptonen am RHIC: Status
Was wird erwartet?Zerfälle leichter
Hadronen (Cocktail) Charm Zerfälle
(PYTHIA)
Daten sind verträg-lich mit Erwartung
Run-4 = 40 x Run-2
Untergrungsubtraktion ist unter Kontrolle Statistische Unsicherheiten sind groß
Ralf Averbeck,40Universität Bonn, 8. 6. 2005
Zusammenfassung Indizien für einen neuen Materiezustand in Au-Au
Kollisionen am RHIC mehren sichSchwere Quarks und andere „harte“ Sonden
Eichung und pQCD Vergleich in p-p Referenzmessungen Studium von Medium Effekten in „kalter“ Kernmaterie in
d-Au Kollisionen Beobachtung von neuartigen Medium Effekten in heisser
Materie in Au-Au Kollisionen
Einzigartige Möglichkeit, stark wechselwirkende Materie jenseits des QCD Phasenübergangs zu studieren Aufhebung des Farbeinschluss Wiederherstellung der chiralen Symmetrie
Ralf Averbeck,41Universität Bonn, 8. 6. 2005
RHIC
Ein Blick in die Zukunft: RHIC unmittelbare Zukunft
Erweiterung der Systematik: Cu-Cu; √sNN = 62 GeV detaillierte Zentralitätsabhängigkeit in Au-Au Elektronen bei höherem pT → Bottom wird zugänglich DILEPTONEN mit guter Statistik!
PHENIX Erweiterung und RHIC-II (bis 2010) Si-Pixel Vertex Spektrometer → Sekundärvertex (c,b) HBD („Hadron Blind Detector“) → Dalitz- und
Konversionsrejektion in Dileptonspektren RHIC-II (Luminositätserhöhung) → weitere Quarkonia
Ralf Averbeck,42Universität Bonn, 8. 6. 2005
Terra Incognita
RHIC/LHC: hohe Temperatur, niedrige Baryonendichte GSI Zukunftsprojekt FAIR
moderate Temperatur, hohe Baryonendichte Kombination mit einzigartigem Hadronenphysikprogramm mit
Antiprotonenstrahlen
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