ALICE: l'esperimento e la fisica

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1 1 ALICE: l'esperimento e la fisica primi segnali dal piccolo Big Bang (Frankfurt Institute for Advances Studies and CERN) Outline La fisica: QCD Il laboratorio: CERN L'acceleratore: LHC L'esperimento: ALICE I risultati...

2 ATOMO F FAntinori Antinori- Fisica - Fisicadidifrontiera frontieraa apadova Padova- 2-2febbraio febbraio ELETTRONE NUCLEO PROTONE/NEUTRONE QUARK 2

3 Il modello standard delle particelle elementari ELETTROMAGNETICA 10-2 NUCLEARE DEBOLE NUCLEARE FORTE 1 GRAVITAZIONALE

4 4 Misteri della QCD La Cromodinamica Quantistica (QCD) e` la teoria dell'interazione forte CONFINEMENTO dei QUARKS: GENERAZIONE della MASSA atomo 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 m nucleone 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) 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

5 5 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 il Plasma di Quark e Gluoni (Quark-Gluon Plasma)

6 Il Big Bang 6 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 iniziale dell universo.

7 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? 7

8 8 Dove si produce il QGP? Big Bang E già successo Lattice QCD Vogliamo aspettare così tanto? Stelle di neutroni LHC

9 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 9

10 ALICE A Large Ion Collider Experiment ~30 paesi, ~100 Istituti ~1000 fisici 10

11 ALICE F Antinori - Fisica Fisicadidifrontiera frontieraa a Padova Padova - 2 -febbraio 2 febbraio Dim: m3 Peso: 10,000 t 11

12 Selezione delle tracce Eccellente tracciamento Ricostruzione del vertice Identificazione di particelle (PID) 12

13 I principali rivelatori di ALICE: ITS 13 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

14 I principali rivelatori di ALICE: TPC 14 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`

15 I principali rivelatori di ALICE: Per identificare le particelle: TOF e TRD 15 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 dall'emissione di molti fotoni Contiene diversi strati di materiale con diverso indice di rifrazione

16 I principali rivelatori di ALICE: EMCAL 16 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`

17 Eventi di collisioni in ALICE 17

18 La prima collisione in ALICE 18

19 Una collisione di ioni pesanti 19

20 Radiografia della materia Esperimento di Rutherford SLAC electron scattering SONDA penetrating beam (jets or heavy particles) 20 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?

21 La piu` alta densita` di energia mai raggiunta artificialmente ε = energia per unità di volume: E dn ch ε = = A V dη m 2 + pt 2 ε ~ alcuni GeV/fm3 alcuni miliardi di tonnellate/cm3! ~ 3 volte più alta che a RHIC 21

22 22 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

23 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 23 in assenza di effetti nucleari RAA = 1 E` come fare una radiografia del QGP

24 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 24

25 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 25

26 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

27 27 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!

28 La geometria della collisione collisioni periferiche 28 grande distanza basso numero di partecipanti bassa molteplicità collisioni centrali piccola distanza alto numero di partecipanti alta molteplicità periferiche 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)

29 La piu` alta densita` di energia mai raggiunta artificialmente ε = energia per unità di volume: E dn ch ε = = A V dη 2 ε ~ alcuni GeV/fm3 m 2 + pt alcuni miliardi di tonnellate/cm3! ~ 3 volte più alta che a RHIC 29

30 30 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

31 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 31

32 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 32 in assenza di effetti nucleari RAA = 1 7 partecipanti 12 collisioni binarie (Ncoll)

33 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 Charm termalizzato? 33

34 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 34 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

35 Radiazione Elettromagnetica Unico modo diretto di misurare la temperatura del QGP: misurare la radiazione termica che emette 35 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= MeV 4 trillioni (1012)di gradi, ~ x TSole