Alberica Toia

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ALICE:
l'esperimento e la fisica
primi segnali dal piccolo Big Bang
Alberica Toia
(Frankfurt Institute for Advances Studies and CERN)
Outline
●
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●
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●
La fisica: QCD
Il laboratorio: CERN
L'acceleratore: LHC
L'esperimento: ALICE
I risultati........
18/01/2012
Alberica Toia
ATOMO
F FAntinori
Antinori- Fisica
- Fisicadidifrontiera
frontieraa aPadova
Padova- 2
- 2febbraio
febbraio2011
2011
ELETTRONE
NUCLEO
PROTONE/NEUTRONE
QUARK
2
Il modello standard
delle particelle elementari
ELETTROMAGNETICA
10-2
NUCLEARE DEBOLE
10-13
NUCLEARE FORTE
1
GRAVITAZIONALE
10-39
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3
4
Misteri della QCD
La Cromodinamica Quantistica (QCD) e` la teoria dell'interazione forte
CONFINEMENTO dei QUARKS:
GENERAZIONE della MASSA
atomo
10-10 m
i quark sembranno perennemente
“confinati” all’interno di altre particelle, dette
“adroni” (come il protone e il neutrone)
●
la metà dei fermioni fondamentali non sono
osservabili come particelle libere
●
nucleo
10-14 m
nucleone
10-15 m
V(r)
r
4 αs
V =−
+ kr
3 r
“Coulomb”
“Confining”
LIBERTA` ASINTOTICA:
Nelle reazioni ad altissima energia
quark e gluoni interagiscono
debolmente (quasi-liberi)
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M ≈ Σ m i M ≈ Σ mi
M » mi
nucleone: la massa non e` determinata
dalla somma dei componenti
m = E/c2 „massa senza massa“ (Wilczek)
la massa e` data dall'energia contenuta
nel moto dei quarks e dall'energia dei
gluoni
Alberica Toia
●
●
●
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Il Big Bang
Il modello del Big Bang cerca di
descrivere la fisica dell’universo dalle
fasi iniziali fino ad oggi
Circa 14 miliardi di anni fa l’universo
nacque come una gigantesca
esplosione durante la quale tutta
l’energia si trasformò in massa,
nell’energia cinetica e gravitazionale
dei corpi oggi presenti
Temperatura = 1012 K
●
“QUARK EPOCH”
Troppo caldo per avere quark e
gluoni intrappolati all’interno degli
adroni (protoni, neutroni etc…)
Quarks e gluoni si muovono
liberamente in uno stato
“deconfinato”
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il Plasma di Quark e Gluoni
(Quark-Gluon Plasma)
●
●
●
Il Big Bang
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dopo circa 10 µs, la temperatura
dell’Universo scende al di sotto di
4000 miliardi di gradi
“HADRON EPOCH”:
a quel punto, in un evento
“catastrofico”, nasce la materia
“adronica”
quark e gluoni si ricombinano dando
origine a particelle due ordini di
grandezza più pesanti: i protoni e
neutroni, che costituiscono più del
99.9% della materia “ordinaria” che ci
circonda
3 minuti: si è formato il 98% della
PROVA SPERIMENTALE INDIRETTA:
materia che oggi costituisce l’universo Nel 1964 Penzias e Wilson scoprirono
casualmente la radiazione cosmica di
fondo (2.9 K) ovvero “l’eco” del Big
Bang: il residuo termico dello stadio
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iniziale dell’universo.
Come saperne di piu`?
●
●
●
●
●
come si comporta la materia in
uno stato così singolare?
che proprietà aveva questo
Plasma di Quark e Gluoni?
la teoria delle interazioni forti
(la Cromo-Dinamica Quantistica,
o QCD), non ci permette di
calcolarle partendo da princípi
primi
anche con con i telescopi più
potenti, è impossibile risalire
all’indietro nel tempo a meno di ~ 400,000
anni dopo il Big Bang…
è possibile riprodurre uno stato simile in
laboratorio?
●
circa 4000 miliardi di gradi?
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Dove si produce il QGP?
Big Bang
E’ già successo…
Lattice QCD
Vogliamo aspettare così tanto?…
Stelle
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di neutroni
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LHC
QGP attraverso le collisioni
di ioni pesanti
●
●
●
facendo collidere due nuclei a energia ultrarelativistica ad LHC,
si produce una “fireball” a una temperatura superiore a 4000
miliardi di gradi, rincreando, seppure per un tempo brevissimo, le
condizioni appropriate per il “deconfinamento”
si ottiene così un Plasma di Quark e Gluoni (Quark-Gluon
Plasma, QGP) in cui i quark (e i gluoni che ne mediano
l’interazione) sono “liberati”
studiando le proprietà del QGP, speriamo di capire meglio come
si comportava l’Universo nei suoi primi istanti di vita, e di
comprendere più in dettaglio il fenomeno del confinamento e
come vengano generate le masse dei protoni, neutroni e altri
adroni
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ALICE
A Large Ion Collider Experiment
~30 paesi,
~100 Istituti
~1000 fisici
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ALICE
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F Antinori - Fisica
Fisicadidifrontiera
frontieraa a
Padova
Padova
- 2 -febbraio
2 febbraio
20112011
Dim: 16 × 16 × 26 m3
Peso: 10,000 t
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Selezione delle tracce
Eccellente
tracciamento
Ricostruzione
del vertice
Identificazione di
particelle (PID)
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I principali rivelatori di ALICE: ITS
●
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Inner Tracking System
Silicon Pixel Detector
Silicon Strip Detector
Silicon Drift Detector
Rivelatori a semiconduttore (Si)
misurano il vertice della collisione
●
●
●
●
Nel Si banda di conduzione e banda di valenza separate da piccola
energia
Se arriva una particella, fa saltare un elettrone dalla banda di valenza a
quella di conduzione, creando una coppia elettrone-lacuna
Applicando una tensione esterna gli elettroni migrano verso l'anodo, le
lacune verso il catodo → corrente proporzionale all'energia della particella
Alta risoluzione, alta velocita`, alta densita` → alta probabilita` interazione
→ piccole dimensioni
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I principali rivelatori di ALICE: TPC
●
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Time Projection Chamber
Rivelatore a gas
misurano le tracce e il loro momento
●
●
●
●
Una particella che attraversa la camera a gas produce ionizzazione
(estrae alcuni elettroni dagli atomi del gas collidendo con essi)
Applicando una tensione esterna gli elettroni migrano verso l'anodo,
gli ioni verso il catodo → corrente
proporzionale all'energia della particella
Completa ricostruzione della traccia e
della sua curvatura → momento
Alta risoluzione,
grandi dimensioni →bassa velocita`
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I principali rivelatori di ALICE:
Per identificare le particelle:
TOF e TRD
●
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Time of Flight
Resistive Parallel Chamber (condensatore)
misura il tempo di volo delle particelle
●
●
●
Conoscendo il tempo e lo spazio, si puo`
determinare la velocita`
Grazie al momento (misurato con la TPC)
si puo` ricostruire la massa e quindi
identificare la particella
●
Transition Radiation Detector
Alta risoluzione temporale
misura la radiazione di transizione
●
Ad ogni interfaccia tra diversi strati la
probabilita` di emettere radiazione da
transizione aumenta con la velocita`
della particella → le particelle veloci
(elettroni) sono accompagnate
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dall'emissione di molti fotoni
●
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Contiene diversi strati di materiale con
diverso indice di rifrazione
I principali rivelatori di ALICE:
EMCAL
●
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ElectroMagnetic Calorimeter
serve per misurare fotoni (invisibili a tutti gli altri rivelatori) ed elettroni
●
●
Strati alterni di piombo e scintillatore
Una particella che lo attraversa produce una cascata di particelle
(fotoni ed elettroni) via conversione + bremsstrhalung
●
I fotoni prodotti sono misurati negli scintillatori
●
Alta risoluzione, bassa granularita`
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Eventi di collisioni in ALICE
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La prima collisione in ALICE
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Una collisione di ioni pesanti
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Radiografia della materia
• Esperimento di Rutherford
• SLAC electron scattering
SONDA
penetrating beam
(jets or heavy particles)
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α → atomo scoperta del nucleo
e → protone scoperta dei quarks
QGP
???
absorption or scattering pattern
• Le sonde sono alcuni tipi di particelle
– particolamente veloci → jets
– particolarmente pesanti → quark charm e beauty
prodotte nello scattering iniziale dei quarks prima della formazione del QGP
• Conosciamo bene le nostre sonde
– Calcolate in pQCD
– Calibrate in esperimenti di controllo: pp (QCD vacuum), pA (cold medium)
• Cosa succede nelle collisioni di ioni pesanti?
– Cosa succede alle sonde?
– Cosa succede alla materia?
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La piu` alta densita` di energia
… mai raggiunta artificialmente
●
ε = energia per unità di volume:
E
dN ch
ε = = A⋅
⋅
V
dη
●
●
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m 2 + pT
2
ε ~ alcuni GeV/fm3
alcuni miliardi di tonnellate/cm3 !
~ 3 volte più alta che a RHIC
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Asimmetria azimutale
• Le collisioni non centrali sono azimutalmente asimmetriche
→ Il trasferimento di tale asimmetria nelle particelle emesse
fornisce una misura dell'entita` dei fenomeni collettivi
• I gas esplodono nel vuoto uniformemento in tutte le
direzioni, non c'e` memoria dell'asimmetria iniziale
– Grande cammino libero medio
φ
z
y
x
• Le esplosioni di liquidi producono flusso maggiore nella direzione in cui il gradiente
di densità (e quindi di pressione) è maggiore
Liquid Li Explodes
– Piccolo cammino libero medio
into Vacuum
●
v2 (che quantifica l'asimmetria) al limite idrodinamico
per un fluido a viscosità bassissima
 liquido quasi “perfetto”
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Soppressione delle sonde
●
●
●
produzione di particelle ad alto impulso trasverso (p T)
o alta massa (charm, beauty)
ci si aspetta che scali come il numero di
collisioni binarie nucleone-nucleone:
AA
p.es.: le particelle possono perdere energia
nell’attraversare la fireball (“jet quenching”)
dN
dpT
pp
7 “partecipanti”
12 “collisioni binarie” (Ncoll)
si definisce un “fattore di modifica nucleare” RAA:
Yield in A+A
R AA =
N binary ×Yield in p+p
●
= N coll
e.g.:
a meno di effetti “nucleari”
●
●
dN
dpT
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in assenza di effetti nucleari  RAA = 1
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E` come fare una
radiografia del QGP
Forte soppressione
... degli adroni
… delle particelle pesanti (charm)
… della J/ψ (stato legato del charm)
MA i fotoni, che non subiscono
interazione forte, non sono soppressi
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Radiazione Elettromagnetica
●
Unico modo diretto di misurare la temperatura del QGP:
misurare la radiazione termica che emette
●
●
●
Come funziona un termometro infrarosso?
Gli oggetti caldi emettono uno spettro termico di radiazione
elettromagnetica
I vestiti rossi non sono red-hot, la luce riflessa non e` luce termica
Red Hot
●
White Hot
Not Red Hot!
Spettro di fotoni dal QGP
4,000,000,000,000 K ~250,000 x TSole
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Conclusioni
●
i primi risultati ottenuti dallo studio delle collisioni Pb-Pb a LHC ci dicono che
abbiamo a che fare con lo stato della materia più estremo mai creato in
laboratorio
●
densità di energia: la piu` alta mai raggiunta
●
il sistema si comporta praticamente come un liquido perfetto
–
●
●
anisotropia azimutale
il sistema è estremamente opaco alla propria radiazione
–
produzione di particelle soppressa
il sistema e` caldissimo
–
●
26
Emette radiazione termica a 4x1012 gradi
E questo e` solo l'inizio!
●
Abbiamo appena finito la seconda campagna di presa dati
–
●
Grazie a un super-computer che funziona online (HLT) abbiamo raccolto 10x
la statistica dell'anno scorso
Programma decennale (almeno) di studi dettagliati del QGP
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Benvenuti al CERN!!!
“It's still the last frontier you might say. We're still out here dancing on the edge of the
world.“ (Lawrence Ferlinghetti)
Grazie per l'attenzione e buon divertimento!
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La geometria della collisione
●
collisioni periferiche
●
●
●
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grande distanza
basso numero di partecipanti  bassa molteplicità
collisioni centrali
●
●
piccola distanza
alto numero di partecipanti  alta molteplicità
periferiche
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centrali
ad esempio: distribuzione delle ampiezze in
un rivelatore di molteplicità di particelle
cariche riprodotta con semplice modello
● distribuzione casuale della posizione
relativa dei due nuclei nel piano
trasversale
● distribuzione (nota) dei nucleoni
all’interno del nucleo
● modello elementare per la produzione di
particelle
● deviazione a basse ampiezze dovuta a
processi non nucleari (elettromagnetici)
Alberica Toia
La piu` alta densita` di energia
… mai raggiunta artificialmente
●
ε = energia per unità di volume:
E
dN ch
ε = = A⋅
⋅
V
dη
●
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ε ~ alcuni GeV/fm3
●
●
m 2 + pT
alcuni miliardi di tonnellate/cm3 !
~ 3 volte più alta che a RHIC
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Asimmetria azimutale
• Le collisioni non centrali sono azimutalmente asimmetriche
→ Il trasferimento di tale asimmetria nelle particelle emesse
fornisce una misura dell'entita` dei fenomeni collettivi
φ
z
y
x
• I gas esplodono nel vuoto uniformemento in tutte le direzioni, non c'e` memoria
dell'asimmetria iniziale
– Grande cammino libero medio
• Le esplosioni di liquidi producono flusso maggiore nella direzione in cui il gradiente
di densità (e quindi di pressione) è maggiore
– Piccolo cammino libero medio
Liquid Li Explodes
into Vacuum
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Misura del flusso ellittico
●
Per quantificare l’asimmetria:
 espansione di Fourier della distribuzione angolare:
1+2v 1 cos( ϕ )+2v 2 cos( 2ϕ)+.. .
●
●
nella regione centrale del rivelatore (~ 90º)  v1 ~ 0
l’asimmetria è quantificata da v2
v2 risulta essere praticamente al limite di quanto ci si aspetterebbe al limite
idrodinamico per un fluido a viscosità bassissima
 liquido quasi “perfetto”
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Soppressione delle sonde
●
●
●
produzione di particelle ad alto impulso trasverso (p T)
o alta massa (charm, beauty)
ci si aspetta che scali come il numero di
collisioni binarie nucleone-nucleone:
dN
dN
∣ =⟨N coll ⟩ ∣pp
dpT AA
dp T
p.es.: le particelle possono perdere energia
nell’attraversare la fireball (“jet quenching”)
si definisce un “fattore di modifica nucleare” RAA:
Yield in A+A
R AA =
N binary ×Yield in p+p
●
e.g.:
a meno di effetti “nucleari”
●
●
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in assenza di effetti nucleari  RAA = 1
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7 “partecipanti”
12 “collisioni binarie” (Ncoll)
Forte soppressione
Forte soppressione degli adroni
con alto momento trasverso
● Aumenta con la centralita`
Anche le particelle pesanti (charm)
sono soppresse
… e forse hanno asimmetria azimutale
Dal RHIC sappiamo
● I fotoni, che non subiscono
interazione forte, non sono soppressi
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→ Charm termalizzato?
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Soppressione della J/ψ
●
Proposta nel 1986 come “smoking gun” del QGP (Matsui-Satz)
●
●
I quark charm e anti-charm sono prodotti insieme nelle collisioni piu`
violente
Nel QGP i quark e i gluoni liberi “schermano” la coppia che non riesce a
legarsi
c
c
P e r tu r b a tiv e V a c u u m
●
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c
Soppresssione quantificata con RAA
c
C o lo r S c r e e n in g
Diversi stati eccitati di charm si
dissolvono a diverse temperature
→ spettroscopia di charm funziona
come termomenetro di QGP
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Radiazione Elettromagnetica
●
Unico modo diretto di misurare la temperatura del QGP: misurare la
radiazione termica che emette
●
●
●
●
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I fotoni, e le coppie di dileptoni, non subiscono l'interazione forte, quindi
non interagiscono con la materia
Quindi conservano intatta tutte le informazioni di quando sono prodotti
Infatti, ad alto momento, sono usati
come “conferma” della soppressione
degli adroni
Osservato a RHIC un eccesso di
fotoni in collisioni di ioni pesanti
●
Spettro termico: Tiniziale= 300-600 MeV
4 trillioni (1012)di gradi, ~250000 x TSole
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