Dżety w zderzeniach ołów-ołów przy energii LHC:czy obserwujemy ich modyfikacje?
BożenaBożena Boimska Boimska
Seminarium Fizyki Wielkich Energii, UW 18 .05. 2012
2
Wstęp Plazma kwarkowo-gluonowa Motywacja badań dżetów w zderzeniach jonów
przy LHC Zderzenia PbPb w 2010 i 2011 roku Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach ciężkich
jonów przy LHC
Wyniki Pomiar czynnika modyfikacji jądrowej - RAA
Analiza przypadków dwu-dżetowych Analiza przypadków dżet-foton
Podsumowanie
Plan
3
Plazma kwarkowo-gluonowa
Quark-Gluon Plasma (QGP): stan materii ze swobodnymi kwarkami i gluonami
Badanie QGP: lepsze zrozumienie oddziaływań silnych i zjawiska
uwięzienia partonów wewnątrz hadronów zbadanie warunków jakie istniały tuż po Wielkim
Wybuchu (pierwsze s)
Eksperymentalnie QGP badana w zderzeniach ciężkich jonów przy bardzo wysokich energiach
Obliczenia teoretyczne (QCD) przewidują przejście do QGP gdy: gęstość energii> c~1 GeV/fm3 lub temperatura> Tc~175 MeV
4
„Mały Wybuch” w laboratorium
Final state particles
Hard probes
5
ALICE - dedykowany badaniom HI
ATLAS i CMS – dedykowane badaniom zderzeń p+p, mają program HI
6
Zderzenia Pb20882+-Pb208
82+ przy LHC
TeVTeVTeV
A
ZTeV
A
EbeamNNs 76.2
208
574
208
2872
5.322
Parametr zderzenia Nominalnie
w 2010r. w 2011r.
Energia sNN [TeV] 5.52 2.76 2.76
Świetlność L [cm-
2s-1]~1027 do 2.5*1025 do ~4.5*1026
W 2010 i 2011 roku po ok. 1 miesiącu zbierania danych
Scałkowana świetlność dostarczona przez akcelerator LHC w 2011: L2011
~16xL2010
7
Scałkowana świetlność dla PbPb
M. Ferro-Luzzi 2012 Chamonix workshop
8
„Mały Wybuch” w laboratorium
Centralne zderzenie PbPb przy sNN=2.76 TeV
9
Plany na 2012r. (listopad)
Oczekiwana scałkowana świetlność 6pb-1 dla każdej z energii
Badanie efektów zimnej materii jądrowej: pPb przy sNN=5 TeV Oczekiwana świetlność:
początkowa ~3*1028 cm-2s-1
scałkowana ~30 nb-1
(Ewentualnie) badanie zderzeń pp sNN=2.76 TeV (odniesienie dla PbPb)
sNN=5 TeV (odniesienie dla pPb)
10
Pierwsze wyniki (seminaria FWE)
Adam Kisiel (PW), 14.01.2011:
BB, 20.05.2011:
Charakterystyki globalne i korelacje Krotność cząstek Pływ eliptyczny Korelacje dwu-cząstkowe
„Twarde” sygnały Produkcja J/Ψ Produkcja Z0
Tłumienie dżetów
Femtoskopia (korelacje HBT)
11
ALICE Krotność cząstek PRL 105, 252301(2010), PRL 106, 032301(2011) Femtoskopia PLB 696, 328(2011) Pływ PRL 105, 252302(2010), PRL 107, 032301(2011) Tłumienie dużych pT
cząstki naładowane: PLB 696, 30(2011) mezony D: arXiv:1203.2160 Korelacje azymutalne arXiv:1109.2501 Produkcja J/Ψ arXiv:1202.1383 Fluktuacje tła dla dżetów JHEP 1203, 053(2012)
ATLAS Asymetria pędowa dżetów PRL 105, 252303(2010) Produkcja J/Ψ i Z0 PLB 697, 294(2011) Krotność cząstek PLB 710, 363(2012) Pływ PLB 707, 330(2012), arXiv:1203.3087
Publikacje LHC dla PbPb@sNN=2.76TeV
12
CMS Produkcja Z0 PRL 106, 212301(2011)
Asymetria pędowa dżetów PRC 84, 024906(2011), arXiv:1202.5022
Korelacje dwu-hadronowe JHEP 1107, 076(2011), arXiv:1201.3158
Krotność JHEP 1108, 141(2011)
Produkcja Y i J/ψ PRL 107, 052302(2011), arXiv:1201.5069
Pływ arXiv:1204.1409, arXiv:1204.1850
Tłumienie dużych pT EPJC 72, 1945(2012)
Fotony PLB 710, 256(2012)
Korelacje foton-dżet arXiv:1205.0206
Gęstość energii ET arXiv:1205.2488
Publikacje LHC dla PbPb@sNN=2.76TeV
13
Centralność zderzenia
Mniejszy parametr zderzenia b Większy obszar przekrywania się jąder
Więcej nukleonów uczestników Npart i większa liczba zderzeń Ncoll
„obserwatorzy ”
obszar „uczestników” „obserwatorzy”
b
b, Npart , Ncoll nie są mierzone bezpośrednio.
Wyznaczane są na podstawie innych wielkości mierzonych w eksperymencie (np. krotność cząstek, ET) + model
(0-5)%
(60-100)%
14
Tłumienie dżetów (”jet quenching”)
Jedna z sygnatur wytworzenia QGP - J.D.Bjorken (1982)
Zaobserwowane po raz pierwszy przy akceleratorze RHIC (USA) dla zderzeń Au197-Au197@ sNN=200GeV
Dla RHIC rekonstrukcja dżetów bardzo trudna badano cząstki z dużym pT
Pomiar tzw. czynnika modyfikacji jądrowej i korelacji w kącie azymutalnym
Wynik strat radiacyjnych partonów, biorących udział w twardym oddziaływaniu w początkowej fazie zderzenia, przy przejściu przez gęsty ośrodek partonowy
15
Czynnik modyfikacji jądrowej - RAA
RAA =(produkcja w A+A)
NCOLL(AA) (produkcja w p+p) |twarde oddziaływania
wzmocnienie produkcji
skalowanie z Ncoll
brak efektów jądrowych
Wpływ efektów jądrowych:
RAA = 1
RAA > 1
RAA < 1tłumienie produkcji
16
RdAu>1 wzmocnienie
STARSTAR
h±
Czynnik modyfikacji jądrowej przy RHIC
RAuAu<1 tłumienie
”Jet quenching” obserwowany w centralnych zderzeniach AuAu jako tłumienie produkcji cząstek z dużym pT (wytworzona gęsta materia partonowa)
17
Korelacje azymutalne przy RHIC
Pedestal&flow subtracted
near-side
away-side Δ
Trigger
Associated
away-side
near-side
p+p jet event
4< pT(trig) < 6 GeV/c
2 <pT(assoc)<pT(trig)GeV/c
Zderzenia pp i dAu podobne
Dla centralnych AuAu ginie dżet ”away”
18
Korelacje azymutalne przy RHIC
Leadinghadrons
Medium
away
near
Widoczny bo powstaje blisko „brzegu”
Pedestal&flow subtracted
near-side
away-side
Ginie bo jest tłumiony w gęstym ośrodku – ”jet quenching”
19
Czynnik modyfikacji jądrowej przy LHC
Pierwszy pomiar RAA: ALICE, PLB 696, 30(2011) mała statystyka
CMS, EPJC 72, 1945(2012)
Dla cząstek naładowanych
(dane 2010 i 2011)
PbPbPbPb
PbPb PbPb
Z centralnością zderzenia RAA maleje
Pomiar aż do pT ~100 GeV/c
20
Ograniczenie na modele opisujące straty energii partonów
Możliwość wyznaczenia własności wytworzonego ośrodka partonowego (np.: dNg/dy)
produkcja hadronów tłumiona ~6x przy pT~7GeV/c
dla wyższych pT powolny wzrost i plateau RAA~0.5 w zakresie pT~40-100GeV/c
RAA przy SPS, RHIC i LHCEPJC 72, 1945(2012)central collisions
Dla energii LHC:
21
Dżety przy LHC Energia LHC ~14 x RHIC
jet>100GeV (LHC) > 105 • jet>100GeV (RHIC)
Dla LHC duży przekrój czynny na produkcję dżetów:
Możliwa rekonstrukcja dżetów
Mierzymy dżety (a nie tylko cząstki z dużymi pędami poprzecznymi)
2.76 TeV
b
22
Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach PbPbTrudna bo duże tło od tzw. “soft underlying event”
Trzeba stosować specjalne procedury odejmowania tła (przypadek po przypadku)
dNcharged/dη ~1600
(dla 5% najbardziej centralnych zderzeń)
23
22 R
Tradycyjna metoda: rekonstrukcja oparta na informacji z kalorymetrów, w których nastąpił depozyt energii cząstek należących do dżetu
Szukany stożek o promieniu
Rekonstrukcja dżetów w zderzeniach PbPb
Cząstki naładowane o małym pT poza stożkiem
Metoda „Particle Flow”:
HCALClusters
ECALClusters
Tracks
Clusters and Tracks Particles
particle-flow
Do zrekonstruowania dżetu używana informacja z kalorymetrów i układu śladowego
24
Przypadki dwu-dżetowe w zderzeniach PbPb
Jedne z pierwszych zderzeń: Zaobserwowano przypadki dwu-dżetowe Dla centralnych zderzeń widoczne przypadki dwu-dżetowe
niezbalansowane energetycznie przejaw zjawiska „tłumienia dżetów”?
25
Korelacja w kącie azymutalnym
21 jetjet
‘leading’ ‘subleading’
•Dane PbPb
- Dane odniesienia
Central
PeripheralPbPb PbPb
PbPbPbPb
pp
Dla wszystkich centralności dżety są zasadniczo ‘back-to-back’ () Przejście partonów o dużym pT przez ośrodek nie powoduje silnej dekorelacji kątowej
Dalsza analiza dla dżetów ‘back-to-back’, >2/3 (rad)
CMS, PRC 84, 024906(2011)
26
Asymetria
Niezbalansowanie pędowe dżetów wyznaczane przy pomocy stosunku:
2,1,
2,1,
TT
TTJ pp
ppA
Cięcia na pT dżetów wprowadzają ograniczenia na wartości AJ
np.: pT,1=120 GeV/c & pT,2>50 GeV/c AJ<0.41
27
Niezbalansowanie pędowe
Dane odniesienia nie odtwarzają wyników dla PbPb
Niezbalansowanie dżetów rośnie z centralnością zderzenia
Central
PeripheralPbPb PbPb
PbPbPbPb
pp
CMS, PRC 84, 024906(2011)
•Dane PbPb
- Dane odniesienia
28
Pierwszy pomiar niezbalansowania dżetów:
ATLAS, PRL 105, 252303(2010)
…ale dla małej statystyki
Dla CMS statystyka większa; możliwa analiza bardziej różniczkowa
29
Zależność od pT dżetu
CMS, arXiv:1202.5022
PbPb PbPb PbPbPbPb
□ Dane odniesienia
•Dane PbPb
pT,2/pT,1 rośnie z pT wiodącego dżetu Straty energii obserwowane dla wszystkich wartości pT
większe dla bardziej centralnych zderzeń brak widocznej zależności od pT
30
Gdzie jest brakujący pT tłumionego dżetu?
Metoda brakującego pT||:
Użyta informacja o śladach cząstek naładowanych
Obliczamy projekcję pT zrekonstruowanych śladów cząstek naładowanych na oś wiodącego dżetu
1) Wyznaczenie kierunku wiodącego dżetu
31
Gdzie jest brakujący pT tłumionego dżetu?
Metoda brakującego pT||:
Użyta informacja o śladach cząstek naładowanych
Obliczamy projekcję pT zrekonstruowanych śladów cząstek naładowanych na oś wiodącego dżetu
1) Wyznaczenie kierunku wiodącego dżetu
2) Sumowanie projekcji pT dla wszystkich śladów w przypadku
32
Metoda brakującego pT||
3) Uśrednienie po wszystkich przypadkach by otrzymać średnie brakujące <pT
||>
Badanie zależności <pT||> od asymetrii AJ:
(+)
(-)
AJ
transverse
plane(–)
(+)
jet axis
33
Brakujący pT|| vs. AJ
Overall balance !
(+)
(-)
AJ
transverse
plane(–)
(+)
jet axis
Po uwzględnieniu wszystkich cząstek naładowanych w stanie końcowym równowaga pędowa przywrócona
Zbalansowanie w pT przywrócone niezależnie od asymetrii AJ
CMS, PRC 84, 024906(2011)
34
Brakujący pT|| vs. AJ
CMS, PRC 84, 024906(2011)
Wkłady od różnych wartości pT:
Low pT excess away from leading
jet
High pT excess towards leading jet
balanceddijets
unbalanceddijets
0-30% Central PbPb
Nadwyżka dużych pT (>8GeV/c) w kierunku wiodącego dżetu zbalansowana przez cząstki o małych pT (<8GeV/c) w kierunku przeciwnym do wiodącego dżetu
35
Brakujący pT|| vs. AJ
CMS, PRC 84, 024906(2011)
Zależność kątowa (względem osi dżetu):
(ΔR>0.8)All particles (ΔR<0.8)
balanced jets unbalanced jets
Nadwyżka cząstek z dużym pT wewnątrz stożka równoważona przez cząstki z małym pT na zewnątrz stożka
Obserwowana różnica w pędzie dżetów balansowana przez cząstki o małym pT emitowane pod dużymi kątami względem osi dżetu tłumionego
36
Pomiar funkcji fragmentacji:
Oddziaływanie partonu z ośrodkiem (straty energii) może powodować modyfikacje funkcji fragmentacji (FF) partonu, prowadząc do mniejszej liczby cząstek dla dużego z i wzrostu liczby cząstek dla małego z
ułamek pędu partonu niesiony przez hadron:
z=pHadron/pParton
Używana informacja nt. dżetu i cząstek naładowanych znajdujących się wewnątrz stożka dżetu
Stosowane cięcie na min. pT cząstek (eliminacja wkładu od tzw. ”soft underlying event”)
Funkcje Fragmentacji dżetów
37
FF partonów (ilustracja)
w zmiennej = ln(1/z):
cząstki niosące duży ułamek pędu partonu
z=pHadron/pParton
w zmiennej z:
cząstki niosące mały ułamek pędu partonu
38
Wpływ cięcia na minimalny pT cząstek:
Ogranicza dostępne wartości ξ
Silny spadek FF
Spadek FF silniejszy dla partonów z mniejszym pT
)ln()/1ln(Hadron
Parton
p
pz )ln(
||Track
Jet
p
p
Mierzone w eksperymenci
e
pTrack|| - składowa pędu cząstki wzdłuż osi dżetu
FF partonów (ilustracja)
39
FF dla zderzeń PbPb
= ln(1/z) = ln(1/z)
CMS HIN-11-004
40
Fragmentacja dżetów ”leading” i ”subleading” dla PbPb jak dżetów dla pp Brak zależności od centralności zderzenia
l
= ln(1/z) = ln(1/z)
FF dla zderzeń PbPbCMS HIN-11-004
41
symmetric dijets
asymmetric dijets0-30% central PbPb
= ln(1/z)
FF vs. AJ Różne AJ różne wartości energii tracone w ośrodku przez parton fragmentujący w dżet ” subleading”
CMS HIN-11-004
42
Fragmentacja nie zależy od energii traconej przez parton
Zgodna z fragmentacją w próżni
CMS HIN-11-004
FF vs. AJ
0-30% central PbPbsymmetric
dijetsasymmetric
dijets
= ln(1/z)
Różne AJ różne wartości energii tracone w ośrodku przez parton fragmentujący w dżet ” subleading”
43
Subleading Jet
Leading Jet Photon
Jet
kAnaliza może być „obciążona”: parton dla dżetu „wiodącego” mógł też oddziaływać z ośrodkiem i stracił część swojej energii
Fotony: - z początkowej fazy zderzenia (tzw. fotony bezpośrednie (”direct”))
-nie oddziałują z ośrodkiem partonowym
Bezpośredni pomiar strat energii partonu
Pierwsza analiza przypadków -jet: CMS, arXiv:1205.0206
Eksperymentalnie badane tzw. fotony izolowane (odrzucane tło, m.in. z rozpadów 0, )
-jet event
44
Korelacja w kącie azymutalnym
Zgodność danych PbPb z MC (dane odniesienia)
Dla wszystkich centralności zderzenia foton i dżet są ‘back-to-back’ (J)
•Dane PbPb
- Dane odniesienia
PbPbPbPbPbPb PbPb
CMS, arXiv:12050206
45
xJ = pTJet/pT
vs. Centralność
Niezbalansowanie pędowe
PbPbPbPbPbPb PbPb
CMS, arXiv:12050206
<xJ>:
Różnica pomiędzy danymi odniesienia a PbPb – wartości dla PbPb są mniejsze
Przy przejściu przez ośrodek parton traci energię
46
RJγ – ułamek fotonów stowarzyszonych z dżetami powyżej progu
PbPb PbPb PbPbPbPb
RJ vs. Centralność
RJ:
Maleje z centralnością zderzenia (pT dżetu przesuwa się poniżej progu – dżet jest tracony)CMS, arXiv:12050206
47
Podsumowanie (I):Czynnik modyfikacji jądrowej przy LHC
CMS, EPJC 72, 1945(2012)
CMS, PRL 106, 212301(2011)CMS, PLB 710, 256(2012)
Z0 i fotony - nie oddziałują silnie więc nie są tłumione, RAA=1
Hadrony – są tłumione, RAA<1
ALICE, PLB 696, 30(2011)
48
Podsumowanie (II): Przypadki dwu-dżetowe
1. Ośrodek nie powoduje dekorelacji kątowej partonów ()
2. Duże niezbalansowanie w pT dla dżetów (AJ)3. Równowaga w pT -
uwzględniając cząstki o małych pT i dużych kątach
5. Partony fragmentują jak w próżni, niezależnie od energii straconej w ośrodku
4. Straty energii partonów w ośrodku dla wszystkich pT
ATLAS, PRL 105, 252303(2010)CMS, PRC 84, 024906(2011)
CMS, PRC 84, 024906(2011)
CMS, arXiv:1202.5022
CMS, HIN-11-004
49
Podsumowanie (III): Przypadki foton-dżet
|ΔJ|
Jet
CMS, arXiv:1205.0206
Bezpośredni pomiar: strata energii dżetu vs. początkowa energia partonu
1. Ośrodek nie powoduje dekorelacji kątowej fotonu i dżetu (J)
2. Z centralnością zderzenia, przesunięcie dżetu stowarzyszonego z fotonem w kierunku mniejszych pT (xJ, RJ)
50
Dziękuję za uwagę!