FISICA DEL PLASMA DE QUARKS Y GLUONES

Transcripción

1 FISICA DEL PLASMA DE QUARKS Y GLUONES Alejandro Ayala Instituto de Ciencias Nucleares, UNAM V Escuela Mexicana de Física Nuclear Junio 2007

2 Bibliografía New forms of QCD matter discovered ar RHIC, M. Gyulassy and L. McLerran, Nucl. Phys. A 750, (2005).

3 Bibliografía Hadrons and Quark-Gluon Plasma, J. Letessier and J. Rafelski (Cambridge U. Press, Cambridge U.K., 2002). Thermal Field Theory, M. Le Bellac (Cambridge U. Press, Cambridge U.K., 1996). Introduction to High-Energy Heavy-Ion Collisions, C.-Y. Wong (World Scientific, Singapore, 1994). Introduction to Relativistic Heavy Ion Collisions, L.P. Csernai (John Wiley & Sons, Chichester, 1994).

4 RHIC es una nueva ventana hacia la QCD Las energías alcanzadas en RHIC permiten por vez primera la posibilidad de explorar un régimen cinemático cualitativamente nuevo donde las incertidumbres debidas a nuestro entendimiento incompleto de la fase intermedia de resonancias de la QCD pueden ser minimizadas.

5 Phases of QCD Matter strong interaction analogues of the familiar phases: Quark-Gluon Plasma Nuclei behave like a liquid Nucleons are like molecules Quark Gluon Plasma: ionize nucleons with heat compress them with density new state of matter! Hadron Gas Solid

6 Relativistic Heavy Ion Collider AGS: s NN = 4.8 GeV SPS: s NN = 17 GeV RHIC: pp, da, AA s NN : 20 to 200 GeV LHC s NN = 5.6 TeV

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8 Agujas en el pajar Existen solo un puñado de pruebas experimentalmente contundentes que señalan al hecho de que una nueva forma de materia ha sido creada en RHIC.

9 Nuevas formas de materia Plasma de quarks y gluones Flujo anisotrópico (elíptico) Pérdida de energía partónica ( jet quenching ) Color Glass Condensate Saturación

10 Evolución espacio temporal de la colisión Dos hojas (altamente contraídas por el efecto de la contracción de Lorentz) de vidrio de color colisionan. Después de la colisión, quarks y gluones se materializan dando lugar al QGP.

11 Evolución espacio temporal de la colisión

12 Evolución espacio temporal de la colisión

13 Inside-Out Cascade Materia más lejos de zona central tiene mayor velocidad (mayor dilatación de tiempo) y por lo tanto se forma después } Partículas en región central se forman primero z 1 > z 0

14 Rapidez: Herramientas de análisis Masa transversa:

15 Herramientas de análisis Relación con Energía y Momento longitudinal:

16 Pseudorapidéz Partículas detectadas no siempre son identificadas (si se desconoce masa, no se determina la rapidéz). A altas energías, m «p, el momento determina ángulo entre dirección de partícula y haz

17 Inside-Out Cascade Materia de QCD excitada no se forma instantaneamente. En sistema propio, tiempo característico τ 0 0.2fm. Supongamos que sistema excitado se mueve a lo largo de eje axial a partir de z=0, t=0 con velocidad v. Una colección de materia de QCD se formará en promedio en hieprbola (t 2 -z 2 ) 1/2 =τ 0

18 Inside-Out Cascade Hiperbola parametrizada por α α coincide con la rapidez y Densidad de energía en elemento de volumen Adz

19 Usando Densidad de energía obtenemos

20 Multiplicidades

21 Densidad de energía Es más fácil detectar partículas cargadas Usando los valores para RHIC

22 EL PLASMA DE QUARKS Y GLUONES

23 Por qué es importante saber si existe o no el QGP? Es la forma primordial de la materia descrita por QCD a altas temperaturas y densidades. Estuvo presente durante los primeros microsegundos después del Big Bang de acuerdo a la cosmología moderna. Puede encontrarse de manera natural en estrellas supernova, fuentes de ráfagas de rayos gama o estrellas de neutrones. Es un ejemplo de transiciones de fase cosmológicas que pudieron ocurrir en el universo temprano. Puede dar pistas acerca del origen de la masa y del mecanismo que hace que los quarks estén confinados dentro de los hadrones.

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25 Transición de fase en términos de grados de libertad Densidad de energía Presión

26 FLUJO

27 Primera aguja en el pajar El primer gran descubrimiento en RHIC tiene que ver con el hecho de que el comportamiento colectivo de la materia formada puede atribuirse a una termalización temprana y que la evolución de la materia en esta fase puede ser descrita por hidrodinámica casi ideal

28 Flujo colectivo Para probar la hipótesis de que se ha formado un QGP, se necesita observar propiedades colectivas diferentes a las que se observa en colisiones a menores energías La observación de flujo colectivo sondea dos de las condiciones necesarias para probar la formacion de QGP: El grado de termalización La validez de la ecuación de estado (descripción hidrodinámica)

29 Hidrodinámica fluido perfecto Condiciones iniciales de Bjorken sobre hipérbola τ=τ 0 Sistema en reposo del fluido u μ =γ(1,v) No transporte de energia y materia conservación μ (nu μ )=0 μ T μν =0

30 Hidrodinámica fluido perfecto En sistema en reposo T 00 = ε, T ij = P δ ij En sistema general T μν =(ε + P)u μ u ν P g μν Leyes de conservación:

31 Velocidad del sonido, característica de ecuación de estado Ecuación de estado dura si c s es grande y suave si c s es pequeño

32 Flujo determinado a partir de análisis de Fourier para la distribución azimutal

33 Flujo en colisiones no centrales Plano de la reacción (Ψ R ) z z Asimetría asimutal iniciall y φ x y y x (define Ψ R ) Flujo dirigido: v 1 dn/d(φ Ψ R ) = N 0 (1 + 2v 1 cos (φ Ψ R ) + 2v 2 cos (2(φ Ψ R )) +... ) Se preserva la asimetría azimutal cuando se detectan las partículas? Flujo elíptico: v 2

34 Información sobre flujo en espectros Existencia de flujo dirigido (o radial) debe observarse en el ensanchamiento de las distribuciones de momento transverso relativo a colisiones p+p T=T 0 + m <v > 2 T 0 ~130 MeV [AGS, SPS, RHIC] <v >~0.4 [AGS, SPS] <v >~0.6 [RHIC]

35 Flujo elíptico Anisotropía espacial de región de translape en colisiones no centrales (b 0) Anisotropía en distribución de momento siempre y cuando se alcance suficiente dispersión durante la evolución del sistema Mide grado de equilibrio térmico en etapas tempranas de la colisión

36 Flujo elíptico

37 Flujo elíptico Si v 2 > 0, v 2 cosφ: Máximo en φ = 0, π Mínimo en φ = π/2,3π/2 Flujo in-plane Si v 2 < 0, v 2 cosφ: Máximo en φ = π/2,3π/2 Mínimo en φ = 0, π Flujo out-of-plane RHIC sige tendencia AGS, SPS v 2 ~ 50% > SPS

38 Flujo dirigido Flujo elíptico

39 Flujo elíptico en 200 GeV Au+Au. Acuerdo relativamente bueno con hidrodinámica sin viscosidad

40 Por qué es v 2 más importante que v 1 como señal de QGP? v 2 se genera principalmente durante las etapas de mayor densidad, i.e. antes de que la anisotropía geométrica espacial inicial desaparezca, antes de 3 fm/c según cálculos detallados de hidrodinámica. Esto sucede porque solo en las etapas de mayores gradientes de presión es posible convertir una anisotropía geométrica en una de momentos. Problemas: Hidrodinámica ideal requiere τ eq 0.6 fm/c ( muy corto!) Introducción de viscosidad desmejora el acuerdo

41 No todo puede ser hidrodinámica ideal: efectos disipativos de medio hadrónico en la periferia

42 Pero, para la región central Hay poca disipación, i.e. poca viscosidad y la descripción se acerca a la de fluido ideal. Viscosidad muy pequeña comparada con lo que un cálculo perturbativo asumiendo que el QGP es un plasma débilmente interactuante aun con efectos de apantallamiento. Estas observaciones han dado lugar para llamar al QGP un fluido ideal fuertemente acoplado sqgp

43 PÉRDIDA DE ENERGÍA (JET QUENCHING)

44 Segunda aguja en el pajar El segundo mayor descubrimiento en RHIC tiene que ver con que la distribución de jets con alto p, sigue obedeciendo una caída gobernada por una ley de potencias pero ésta caída se encuentra fuertemente suprimida respecto a colisiones p+p

45 Espectros en Au+Au vs p+p

46 Jets

47 Supresión de Jets en el plasma hadrons leading particle suppressed q q hadrons leading particle suppressed

48 Supresión de hadrones con p grande Pérdida de energía de partones con p grande por radiación de gluones resulta en supresión de jets ( jet quenching ). R AA = d 2 σ AA /dp dη <N bin > d 2 σ pp /dp dη nuclear modification factor R AA debería ser ~1 en ausencia de física nueva para p grande (procesos duros, pqcd )

49 Jet quenching

50 Jet quenching

51 Monojets en Au+Au

52 Qué tanto es efecto de estado inicial y que tanto de final? Initial state Final state strong modification of Au wave function (gluon saturation) partonic energy loss in dense medium generated in collision How to discriminate? turn off final state d+au collisions

53 Au+Au vs d+au

54 Au+Au vs d+au

55 Radiative energy loss Radiative energy loss comes from the processes where there are more outgoing than incoming particles: Collisional energy loss Collisional energy loss comes from the processes which have the same number of incoming and outgoing particles: 0 th order 0 th order 1 st order

56 Radiative and collisional energy losses

57 Dispersión en la capa de masa

58 Dispersión fuera de la capa de masa

59 EL COLOR GLASS CONDENSATE

60 HERA y la imagen del núcleo al aunmentar la energía de la sonda

61 Física del CGC La dinámica no lineal de QCD produce que los gluones dentro de un hadrón se fragmenten en mas y mas gluones, cada vez más suaves (small x). La consecuencia física es que la densidad de gluones por unidad de árease incrementa rápidamente. La no lienaridad de QCD también implica que la densidad transversa medida a un valor fijo de Q 2 debe eventualmente estar limitada, lo cual implica saturación gluónica a suficientemente altas energías.

62 Por qué se llama a este estado de la materia el condensado de vidrio de color? Color: Los gluones que forman esta materia tienen carga de color Vidrio: Los gluones para x pequeña se originan de gluones con valores mayores de x. Estos gluones (en el marco de referencia de momento infinito) viajan muy rápido y sus escalas temporales naturales sufren la dilatación de Lorentz. Esta dilatación se transfiere a los gluones de x pequeña los cuales evolucionan de manera lenta comparados con la anterior escala. Esta es precisamente la propiedad del vidrio.

63 Por qué se llama a este estado de la materia el condensado de vidrio de color? Condensado: La densidad (adimensional) en el espacio fase transverso se satura para cuando donde c es una constante del orden de la unidad. Físicamente la saturación de debe a la competencia entre la radiación emitida por los gluones y la fusión de éstos lo cual reduce el número de gluones a altas energías.

64 Por qué se llama a este estado de la materia el condensado de vidrio de color? Puesto que α << 1 los estados mecánico cuánticos están múltiplemente ocupados, son altamente coherentes y por lo tanto comparten características con los condensados de Bose-Einstein.

65 Saturación

66 Por qué es importante saber si existe o no el CGC? Representa la forma universal de la función de onda de QCD a x pequeña para cualquier hadrón. Empieza a manifestarse en protones en HERA para x 10-2 y debe empezar a a ser importante en RHIC para valores semejantes de x. Representa una descripción rigurosa, basada en QCD del estado inicial en colisiones Au+Au a partir del cual el QGP evoluciona.

67 Evidencia empírica que sostiene la idea del CGC Escalamiento geométrico: Dispersión inelástica profunda (HERA), sección eficaz función solo de Función de estructura: Relación entre función de estructura F 2 y la distribución de gluones Procesos cuasielásticos y difractivos: Sensitividad a sondas que prueban la extensión transversa de esta materia

68 Escalamiento

69 Multiplicidad El CGS permite calcular la multiplicidad evitando la divergencia infrarroja del cálculo perturbativo La dependencia con el número de participantes también puede calcularse observando que el cuadrado del momento de saturacion debe ir como N part 1/3

70 Multiplicidad

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72 Conclusiones El plasma de quarks y gluones se descubrió en RHIC. La evidencia tiene que ver con que las densidades de enegia alcanzada son tan altas que los grados de libertad son precisamente los quarks y gluones de la QCD en un medio térmico (validez de la hidrodinámica)

73 Conclusiones QCD perturbativa describe los espectros en la región de momento alto con el ingrediente adicional de que los hadrones están suprimidos y la supresión se interpreta en términos de pérdida de energía de los partones que atraviesan el plasma termalizado. La descripción del flujo elíptico en términos de hidrodinámica hace concluir que el plasma está fuertemente acoplado (sqgp).

74 Conclusiones El CGC es una hipótesis que funciona para describir el estado inicial de la colisión y aplica para cuando la materia de QCD esta descrita en la región de alta densidad. Evidencia de la existencia del CGC se puede encontrar en los datos de HERA así como en la idea de saturación que permite describir las multiplicidades observadas en RHIC.