Programa IC do grupo 30/03/2006 1 Física Nuclear de altas energias Alexandre A. P. Suaide.

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1 Programa IC do grupo 30/03/2006 1 Física Nuclear de altas energias Alexandre A. P. Suaide

2 Programa IC do grupo 30/03/2006 2 Um pouco de História Até 1955 – Não se conhecia quarks e gluons –Gell-Mann e Zweig – teoria de quarks –Hadrons – partículas feitas de quarks Bárions – 3 quarks (protons e neutrons, p.e.) Mésons – 2 quarks (pions, kaons, etc) 1964 – descoberta do bárion Omega –Última previsão de Gell-Mann and Zweig e que convenceu todo mundo que quarks realmente existiam Até 1974 – podia-se explicar todos os hadons conhecidos somente com 3 quarks (u, d, s)

3 Programa IC do grupo 30/03/2006 3 Um pouco de História 1974 – descoberta do méson J/Psi –Nome veio do fato de ter sido descoberta simultaneamente em BNL (J) e em Stanford (Psi) –Premio Nobel em 1976 –Só pode ser explicada pela presença de um novo quark, charm (c) Em 1977, um 5 quark foi descoberto, o bottom (b), no Fermilab Em 1995, o sexto quark, top (t), foi descoberto no FermiLab Na verdade, era para ser beauty and truth, mas não pegou

4 Programa IC do grupo 30/03/2006 4 Quarks nunca foram encontrados fora dos hadrons… Quarks estão sempre ligados em hádrons. –Se tentarmos afastá-los a energia aumenta e, em situações limites, fica mais fácil criar pares de quarks- anti-quarks do vácuo.

5 Programa IC do grupo 30/03/2006 5 É possível … … haver uma configuração da matéria na qual quarks e anti-quarks estejam livres? –QCD (Cromodinâmica Quântica) prevê que, em condições extremas de temperatura (T > 150-160 MeV) ou densidade energética (  > 1 GeV/fm 3 ), os hádrons não são sustentáveis e os quarks não estão confinados nessa estrutura. Esse estado da matéria foi chamado de “Plasma de Quarks e Glúons”, ou QGP, em Inglês.

6 Programa IC do grupo 30/03/2006 6 A busca pelo QGP nos remete ao início dos anos de 1980 1983 Nuclear Science Advisory Committee (NSAC) Long Range Plan –“Finally, under conditions of very elevated energy density, nuclear matter will exist in a wholly new phase in which there are no nucleons or hadrons composed of quarks in individual bags, but an extended quark-gluon plasma, within which the quarks are deconfined and move independently.... The production and detection of a quark-gluon plasma in ultra-relativistic heavy ion collisions would not only be a remarkable achievement in itself, but by enabling one to study quantum chromodynamics (QCD) over large distance scales it would enable one to study fundamental aspects of QCD and confinement unattainable in few-hadron experiments.... A second, chiral-symmetry restoring, transition is also expected at somewhat higher energy density, or perhaps coincident with the deconfinement transition; such a transition would be heralded by the quarks becoming effectively massless, and low mass pionic excitations no longer appearing in the excitation spectrum.”

7 Programa IC do grupo 30/03/2006 7 Quarks se propagando livremente na terra A necessidade para construção de um equipamento capaz de detectar este estado da matéria data de 1984-6 em documentos da National Academy of Sciences, survey of Nuclear Physics. –“A major scientific imperative for such an accelerator derives from one of the most striking predictions of quantum chromodynamics: that under conditions of sufficiently high temperature and density in nuclear matter, a transition will occur from excited hadronic matter to a quark-gluon plasma, in which the quarks, antiquarks and gluons of which hadrons are composed become ‘deconfined’ and are able to move about freely. The quark-gluon plasma is believed to have existed in the first few microseconds after the big bang, and it may exist today in the cores of neutron stars, but it has never been observed on Earth. Producing it in the laboratory will thus be a major scientific achievement, bringing together various elements of nuclear physics, particle physics, astrophysics, and cosmology.” Nesse mesmo documento, o Quark-Gluon Plasma foi definido como: –“An extreme state of matter in which quarks and gluons are deconfined and are free to move about in a much larger volume than that of a single hadron bag. It has never been observed on earth.”

8 Programa IC do grupo 30/03/2006 8 Objetivos: compreendendo a estrutura da matéria Matéria Nuclear –Líquido  gás –Gás  QGP (?) 1ª ou 2ª ordem (?)

9 Programa IC do grupo 30/03/2006 9 Objetivos: compreendendo a evolução do universo O modelo de Big-Bang necessita a presença do plasma logo no início da evolução do Universo

10 Programa IC do grupo 30/03/2006 10 A evolução do Universo

11 Programa IC do grupo 30/03/2006 11 Os cientistas e suas máquinas maravilhosas...

12 Programa IC do grupo 30/03/2006 12 Criando colisões no RHIC Animation courtesy of Brookhaven National Laboratory

13 Programa IC do grupo 30/03/2006 13 Colidindo dois núcleos em energias relativísticas

14 Programa IC do grupo 30/03/2006 14 As ferramentas de trabalho...

15 Programa IC do grupo 30/03/2006 15 As ferramentas de trabalho... Argonne National Laboratory Institute of High Energy Physics - Beijing University of Bern University of Birmingham Brookhaven National Laboratory California Institute of Technology University of California, Berkeley University of California - Davis University of California - Los Angeles Carnegie Mellon University Creighton University Nuclear Physics Inst., Academy of Sciences Laboratory of High Energy Physics - Dubna Particle Physics Laboratory - Dubna University of Frankfurt Institute of Physics. Bhubaneswar Indian Institute of Technology. Mumbai Indiana University Cyclotron Facility Institut de Recherches Subatomiques de Strasbourg University of Jammu Kent State University Institute of Modern Physics. Lanzhou Lawrence Berkeley National Laboratory Massachusetts Institute of Technology Max-Planck-Institut fuer Physics Michigan State University Moscow Engineering Physics Institute City College of New York NIKHEF Ohio State University Panjab University Pennsylvania State University Institute of High Energy Physics - Protvino Purdue University University of Rajasthan Rice University Instituto de Fisica da Universidade de Sao Paulo University of Science and Technology of China - USTC Shanghai Institue of Applied Physics - SINAP SUBATECH Texas A&M University University of Texas - Austin Tsinghua University Valparaiso University Variable Energy Cyclotron Centre. Kolkata Warsaw University of Technology University of Washington Wayne State University Institute of Particle Physics Yale University University of Zagreb 545 Collaborators from 51 Institutions in 12 countries

16 Programa IC do grupo 30/03/2006 16 As ferramentas de trabalho...

17 Programa IC do grupo 30/03/2006 17 Uma colisão no RHIC Animation courtesy of the STAR Experiment at Brookhaven National Laboratory's Relativistic Heavy Ion Collider

18 Programa IC do grupo 30/03/2006 18 Peripheral Event From real-time Level 3 display. color code  specific ionization energy loss (dE/dx) blue : large energy loss red: small energy loss Os dados...

19 Programa IC do grupo 30/03/2006 19 Mid-Central Event From real-time Level 3 display. Os dados...

20 Programa IC do grupo 30/03/2006 20 Central Event From real-time Level 3 display. Os dados...

21 Programa IC do grupo 30/03/2006 21 Quais são as nossas perguntas? Existe um estado da matéria no qual os quarks e gluons se movimentam livremente? –O sistema está em equilíbrio térmico? –Os graus de liberdade são quarks/gluons ou hádrons? Quais são as propriedades desse plasma, se existir? –Temperatura, densidade, EOS? –Como os quarks/gluons se movimentam dentro desse meio? Como eles interagem entre si? Como se dá a transição de fase?

22 Programa IC do grupo 30/03/2006 22 Estudando a evolução do sistema space Hard Scattering Au  Expansion  Hadronization  Freeze-out QGP Thermaliztion  e p K    Diferentes observáveis Dependência com a energia e tamanho do sistema Observaveis que testem o plasma, especialmente aqueles criados antes da termalização do sistema time jet J/  D B

23 Programa IC do grupo 30/03/2006 23 Partículas, partículas e mais partículas 200 GeV 130 GeV 19.6 GeV Au+Au (200 GeV) ~ 4800 partículas carregadas p + p ~ 20 partículas

24 Programa IC do grupo 30/03/2006 24 Energia, muita energia! A energia transversal produzida está relacionada com a densidade energética atingida durante uma colisão E isso é só um limite inferior!

25 Programa IC do grupo 30/03/2006 25 Equilíbrio térmico Medida das taxas de produção de várias partículas (hadrons) podem ser medidas –E calculadas utilizando modelos termodinâmicos Não é prova da termalização T ~ 180 MeV –T QGP ~ 160 MeV Se os hadrons são formados em 180 MeV então a temperatura inicial está acima da prevista para transição de fase

26 Programa IC do grupo 30/03/2006 26 O Diagrama de fase

27 Programa IC do grupo 30/03/2006 27 Como medir a temperatura do plasma? Radiação emitida –Medida de fótons de orígem térmica Muito difícil pois há muitas outras fontes de fótons Estudos preliminares mostram T > 500 MeV! –Muito cuidado! Resultado MUUUUITO preliminar T 0 =590 MeV  0 =0.15 fm/c

28 Programa IC do grupo 30/03/2006 28 Coletividade? Todas as partículas se movem com a mesma velocidade média! –Não é um sistema de partículas independentes! –Outro indício de um sistema térmicamente equilibrado!

29 Programa IC do grupo 30/03/2006 29 Como o sistema expande? Pressão interna? x z y Jet 1 Coordinate space: initial asymmetry Momentum space: final asymmetry pypy pxpx x y Jet 2

30 Programa IC do grupo 30/03/2006 30 Como o sistema expande? Pressão interna? Expansão compatível com um flúido ideal (hidrodinâmica) Mas quem flui? Hadrons ou quarks?

31 Programa IC do grupo 30/03/2006 31 Partículas de alto momento e jatos Colisão violenta de dois partons Energia aumenta a medida que partons se afastam –Eventualmente energia é suficiente para criar par quark anti-quark –Processo se repete até não haver energia disponível Fragmentação Quarks hadronizam formando jato de partículas –Em geral há dois jatos

32 Programa IC do grupo 30/03/2006 32 Jatos como ferramenta para testar o meio Jatos são produzidos nos instantes iniciais da colisão quando partons de alta energia colidem –Jatos são faceis de serem identificados e reconstruídos em colisões p+p fornecendo a base para o estudo em colisões Au+Au Esses partons devem atravessar o plasma antes de fragmentarem em hadrons –O que acontece com eles? –Como o meio modifica as suas características? Partícula lider q q

33 Programa IC do grupo 30/03/2006 33 Como identificá-los? Colisões p+p –O jato é facilmente identificado e pode-se determinar todas suas características Energia, distribuição de partículas, etc. Colisões Au+Au –Identificação dos jatos é impossível –Métodos estatísticos

34 Programa IC do grupo 30/03/2006 34 Métodos estatísticos: correlações angulares Determinar a partícula de maior momento na colisão (trigger) Obter a diferença angular com outras partículas acima de um certo momento Px (GeV/c) Py (GeV/c) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Parton Jato |      Pt 

35 Programa IC do grupo 30/03/2006 35 Correlações angulares Correlações angulares mostram estruturas similares a jatos no RHIC –Partículas de alto momento são originadas de fragmentação de partons de alto momento!!!! O que acorre em colisões Au+Au centrais? –Somente 1 jato é observado. E o segundo???

36 Programa IC do grupo 30/03/2006 36 O desaparecimento dos jatos Perda de energia de partons no meio? O jato na direção oposta não é observado devido à perda de energia no meio, fazendo com que a sua energia seja reabsorvida. Partícula lider q q

37 Programa IC do grupo 30/03/2006 37 Para onde vai a energia absorvida? Conservação de momento Correlações onde o momento associado é muito baixo apresentam estrutura compatível com conservação de momento –“Forma do sistema” p T (assoc) > 0.15 GeV/c

38 Programa IC do grupo 30/03/2006 38 As nossas perguntas iniciais… Existe um estado da matéria no qual quarks e gluons estão deconfinados dos hadrons (plasma de quarks e gluons)? Esse estado da matéria é criado no RHIC? Se sim, existe uma transição de fase clara para esse estado? Quais são as propriedades e características desse estado?

39 Programa IC do grupo 30/03/2006 39 As nossas perguntas iniciais… Existe um estado da matéria no qual quarks e gluons estão deconfinados dos hadrons (plasma de quarks e gluons)? Esse estado da matéria é criado no RHIC? Se sim, existe uma transição de fase clara para esse estado? Quais são as propriedades e características desse estado? O RHIC criou uma matéria que possui características nunca antes vista em qualquer estado conhecido de matéria nuclear Existem fortes indícios que a transição de fase observada é de segunda órdem, não sendo possível observar mistura de fases (calor latente) A matéria criada é muito densa e altamente dissipativa. Exibe forte coletividade, como se fosse um fluído perfeito e não um gás ideal. Parece estar em equilíbrio térmico. Os graus de liberdade dessa matéria parecem ser partônicos (quarks e gluons) e não hadrônicos

40 Programa IC do grupo 30/03/2006 40 E agora? O que fazer? Ficou evidenciado que, no RHIC, um novo estado da matéria nuclear é observado –Mais interessante que o previsto, mais de 20 anos atrás. Deve-se estudar este estado de forma sistemática –Variar a energia e tamanho do sistema (outros feixes) –Realizar medidas de processos raros, que permitam estudar a evolução dos sistemas Jatos de mais altas energias Quarks pesados (charm, bottom)

41 Programa IC do grupo 30/03/2006 41 LHC – A matéria em condições mais extremas Daqui a dois anos, o LHC (Large Hadron Collider) entrará em operação. –30x mais energia que no RHIC A matéria nuclear em condições mais extremas O plasma terá uma vida mais longa, permitindo um estudo sistemático mais completo Jatos e quarks pesados terão taxas de produção mais elevadas, permitindo um estudo detalhado da interação entre quarks e o meio

42 Programa IC do grupo 30/03/2006 42 LHC – um pouco de perspectiva

43 Programa IC do grupo 30/03/2006 43 Alice – A Large Ion Collider Experiment

44 Programa IC do grupo 30/03/2006 44 A aventura está apenas começando… Já descobrimos a nossa América… temos agora que conhecê-la e explorá-la