O que veremos hoje. Introdução. O Large Hadron Collider e o ALICE Os Sinais do Quark- Gluon Plasma Conclusão

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Olívia Palhares da Rocha
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1 David D. Chinellato

2 O que veremos hoje Introdução O quark- gluon plasma (QGP) MoCvação ao estudo de colisões de íons pesados O Large Hadron Collider e o ALICE Os Sinais do Quark- Gluon Plasma Conclusão 2

3 O Modelo Padrão: ConsCtuintes da Matéria Toda a matéria observada é cons1tuída de: Quarks Léptons Quarks carregam carga de cor (verde, vermelho ou azul); combinações devem ser brancas! Mésons (cor,an1cor) Bárions (rgb) bárion méson 3

4 Interações da Matéria +( ) 4

5 Um Plasma de Quarks e Glúons: QGP V q1q2 ~ eff r +K.r a b Sem QGP Valor típico para um par q 1 q 2 confinado em um hádron a b Com QGP 0.1 R eff a 0 (~0.9fm) R true r(fm) cenário 1: Confinamento L cenário 2: desconfinamento R true a 0 R eff L: distância inter-hadrônica (~1.8fm) a 0 : raio hadrônico (~0.9fm) 0 : densidade nuclear típica (~0.17 núcleon/fm 3 ) Limite crítico: L ~a = 1.36 núcleon/fm 3 ~ 1.2GeV/fm 3 5

6 Voltando para o Início " Estado inicial de densidade de energia extrema " Série de transições de fase previstas pelo modelo padrão. Expansão e Resfriamento Estado Inicial: Quark-Gluon Plasma Sopa de quarks e glúons livres, universo quente demais para o confinamento destes em hádrons. Gás de Hádrons: Prótons e nêutrons livres, universo ainda quente para formação de núcleos. Nucleossíntese primordial, até He. Plasma EM: Universo ainda quente para o acoplamento dos elétrons com os núcleos para formar átomos e moléculas. CaracterísCcas Globais do nosso universo hoje estão ligadas às Universo propriedades hoje (2.7 destas K) transições de fase! 6

7 Rapid Expansion and Cooling Se a energia depositada for suficiente, os prótons e neutrons podem derreter e formar uma sopa de quarks e glúons, em um estado similar às condições logo após o Big- Bang 7

8 Diagrama de Fase da QCD Temperatura Univ. Primordial Ponto CríCco É essencialmente o que podemos fazer em aceleradores de parlculas com colisões de íons pesados! Hádrons Transição de fase de 1 a ordem Supercondutor de cor Estrelas de nêutrons Densidade Bariônica Líquida 8

9 O Large Hadron Collider (LHC) CMS LHCb Potência elétrica em operação ATLAS 120MW Circunferência 27km Dipolos Supercondutores 1232 Hélio Líquido empregado ~120 toneladas Orçamento total (~2010) ~7.5B Feixes operantes p, Pb, ALICE A Large Ion Collider Experiment: Especializado em colisões de íons pesados e o estudo do quark- gluon plasma Raio: 4.3km 9

10 Experimento ALICE USP, UNICAMP D.D. Chinellato Café com Com Física 09 / 10 /

11 O Experimento ALICE Excelente Câmara de projeção temporal (TPC) de determinação trajetórias de paraculas carregadas p? π? K?... Mesmo em ambientes de allssima densidade de parlculas. Exemplo: colisão Pb- Pb, Detectores de com Silício (ITS) 1600 trajetórias D.D. Chinellato Café com Física 09 / 10 /

12 Uma especialidade do ALICE: IdenCficação de Parlculas ALICE: Muitos detectores com capacidade de determinar a espécie da parlcula Exemplo: depósito de energia na TPC Prótons: grande perda de energia ao atravessar o gás da TPC Píons: pequena perda de energia ao atravessar o gás da TPC 12

13 Sistemas de Coordenadas 13

14 Olhando em Colisões nucleares b Núcleos são jogados uns contra os outros (são discos devido à contração de Lorentz) b: parâmetro de impacto? Na prácca: feixes; às vezes temos colisões 14

15 mpact paramet Classificando Colisões: Centralidade Colisão Central Colisão Periférica Número de núcleons que par1cipam (N part ) aumenta: maior energia disponível, mais parlculas produzidas! D.D. Chinellato Café Com Física 09 / 10 /

16 Sinais do QGP: Alguns Exemplos (1) Aumento da produção de Estranheza (2) A Anomalia Bariônica (3) Anisotropia Azimutal de Momento: O Fluxo ElípCco D.D. Chinellato hinellato CCafé afé ccom om FFísica ísica // //

17 (1) Aumento da produção de estranheza Massa aproximada do quark estranho Temperatura esperada do Quark- Gluon plasma: MeV 104 MeV/c 2 Resultado: Produção acentuada de quarks s e s Mas como medir? Medida indireta: olharemos em taxas de produção de hádrons estranhos (via fusão de glúons) em relação a taxas de produção observadas em colisões próton- próton! 17

18 Produção de Estranheza no ALICE Counts / MeV/c Performance 17/09/2011 Pb-Pb at 2.8 < p T = 2.76 TeV s NN % centrality < 3.2 GeV/c ALI PERF Mass(, K ) (GeV/c 2 ) 18

Taxas totais de produção: Comparação de Pb- Pb com

Taxa de produção por colisão de núcleons parccipantes (N

Resultado clássico da área: Strangeness Enhancement Mas

em 1: taxa por colisão da produção por de pártons seria

19 Taxas totais de produção: Comparação de Pb- Pb com colisões próton- próton Cada vez que dois núcleons colidem - > Há produção de estranheza. Mas em que quan1dade por núcleon? Taxa de produção por colisão de núcleons parccipantes (N part ): Levando em conta tamanho do sistema! Resultado clássico da área: Strangeness Enhancement Mas não é constante Se pontos escverem em 1: há um aumento em 1: taxa por colisão da produção por de pártons seria colisão de núcleons constante parccipantes!.e este aumento é maior para parlculas com conteúdo de estranheza maior! 19

(2) A Anomalia Bariônica 0 S 0 S, /K /K 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.

2 TeV ALICE: Pb-Pb at 0 0 2 4 6 8 10 12 0 S 0 S s NN /K 0-5% /K

EPOS (GeV/c) Produção de Parlculas por mecanismo: - >

20 (2) A Anomalia Bariônica 0 S 0 S, /K /K ALI PUB y <0.5 STAR: Au-Au at =0.2 TeV ALICE: Pb-Pb at S 0 S s NN /K 0-5% /K 0-5% s NN =2.76 TeV 0 /K S 0 /K S p T 0 S 0 S /K 60-80% /K 60-80% 0-5% 60-80% systematic uncertainty Theory 0-5% Hydro VISH2+1 Recombination EPOS (GeV/c) Produção de Parlculas por mecanismo: - > Coalescência de Pártons 2 Aumento da produção de Bárions em momento intermediário (2-4 GeV/c): Anomalia Bariônica 3 20

21 (3) Mais um sinal: Anisotropia Azimutal Deve ser calculado para cada colisão Plano da Reação 21

22 (3) Mais um sinal: Anisotropia Azimutal Deve ser calculado para cada colisão Plano da Reação φ Primeiro Cenário: Produtos de cada região da colisão saem do sistema sem interagir Part. Produzidas Ângulo φ 22

23 (3) Mais um sinal: Anisotropia Azimutal Deve ser calculado para cada colisão E é isto que é observado! Ellip1c Flow: Fluxo elípcco Plano da Reação Segundo Cenário: Produtos de cada região da colisão podem interagir entre si: Sopa de Quarks e Gluons com comportamento cole1vo Part. Produzidas φ Maior Gradiente: Maior momento Menor Gradiente: Menor momento Neste caso: Fluido - > Hidrodinâmica! Gradientes Ângulo de pressão? φ 23

24 QuanCficando o Fluxo ElípCco Part. Produzidas Ângulo φ A B v 2 = A/B Isto é feito de forma diferencial em momento: para cada faixa de momento transversal, há um v 2 24

25 O Fluxo elíp1co no ALICE: Paraculas Carregadas PRL 105, (2010) 25

26 E muitos sinais a mais. Supressão de Jatos Correlações de Longo alcance? Fluxo Elíp1co para Paraculas iden1ficadas Produção térmica De paraculas I am more sure of the conclusions than of any single argument which suggested them to me R. Feynman 26

27 Resumo Large Hadron Collider: Ferramenta ideal para estudos de ponta sobre MP O Quark Gluon Plasma: Permite vínculo com universo primordial Suas propriedades: estudo de QCD Muitas ferramentas: hidrodinâmica, termodinâmica, etc Estudo é desafiador! Medidas indiretas Muito obrigado! 27

28 Backup 28

29 TOF IdenCﬁcação de Parlculas por TOF K K p 0.6 p 0.4 p-pb snn snn= = TeV TeV p-pb 5/03/ p-pb minimum bias 0 1 ALI PERF D.D. Chinellato Café com Física 09 / 10 / p (GeV/c) 29

30 Técnica de Reconstrução de V0s DCA filho negativo para vértice primário VP y 2 x Topologia de Decaimento: V0 Variáveis Topológicas: 5 p DCA filhos V0 DCA filho positivo para vértice primário VP Raio da posição de decaimento y x 4 - Momento do V0 5 p Coseno do ângulo de direção 30

31 Técnica de Reconstrução de Ξ, Ω Topologia de Decaimento: Cascata Variáveis Topológicas: 11 DCA filho negativo para vértice primário 7 2 DCA filho 'solteiro' para vértice primário DCA filhos Cascata 6 VP y x p DCA filhos V0 DCA V0 para vértice primário 8 3 DCA filho positivo para vértice primário 10 Coseno do ângulo de direção cascata - - y p 5 Coseno do ângulo de direção V0 Raio da posição 9 de decaimento cascata VP Raio da posição de decaimento V0 x 4 11 Massa invariante do V0 31

32 ALICE: Fluxo elípcco para várias espécies de parlculas Indício de Efeito partônico! Anisotropia NCQ Scaling não é zero! (number of consctuent quarks) Massas são diferentes Esse efeito é partônico: vamos dividir pelo número de pártons de cada hádron 32

Outro Sinal: Produção Térmica de Parlculas dn/dy 3 10 2 10 Pb-Pb s NN =2.76 TeV 10 Idéia Fundamental: 1-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10 + ALI PREL 59772 Data: ALICE, 0-10% A.Andronic et al.

33 Outro Sinal: Produção Térmica de Parlculas dn/dy Pb-Pb s NN =2.76 TeV 10 Idéia Fundamental: ALI PREL Data: ALICE, 0-10% A.Andronic et al. Thermal model T=156 MeV, µ = 1 MeV, V=5400 fm b T=164 MeV, µ = 1 MeV, V=4499 fm b 3 3 H ( He + ) assuming B.R.=25% - + K - K 0 Ks 0 K* p p d H 3 (B.R.=25%) Dimensão de Energia: Análogo a temperatura 33

34 Anomalia Bariônica, Extra 34

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