alice: l'esperimento e la...

18/01/2012 Alberica Toia

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ALICE: l'esperimento e la fisica

primi segnali dal piccolo Big BangAlberica Toia

(Frankfurt Institute for Advances Studies and CERN)

Outline● La fisica: QCD● Il laboratorio: CERN● L'acceleratore: LHC● L'esperimento: ALICE● I risultati........

F Antinori - Fisica di frontiera a Padova - 2 febbraio 2011 2

ATOMOATOMO

PROTONE/NEUTRONEPROTONE/NEUTRONE

QUARKQUARK

NUCLEONUCLEO

ELETTRONEELETTRONE

2F Antinori - Fisica di frontiera a Padova - 2 febbraio 2011


3Il modello standard delle particelle elementari

ELETTROMAGNETICA10-2

NUCLEARE DEBOLE10-13

NUCLEARE FORTE1

GRAVITAZIONALE10-39


4Misteri della QCD

CONFINEMENTO dei QUARKS:● 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

r

V(r)

krr

V s +−= α3

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“Coulomb” “Confining”

LIBERTA` ASINTOTICA:Nelle reazioni ad altissima energia quark e gluoni interagiscono debolmente (quasi-liberi)

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

GENERAZIONE della MASSAatomo10-10 m

nucleone10-15 m

nucleo10-14 m

M ≈ Σ mi M ≈ Σ mi M » mi

La Cromodinamica Quantistica (QCD) e` la teoria dell'interazione forte


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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”

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


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Il Big Bang● 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 materia che oggi costituisce l’universo

PROVA SPERIMENTALE INDIRETTA: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.


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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?

Lattice QCD

Big Bang

E’ già successo…

Stelle di neutroni

Vogliamo aspettare così tanto?…

LHC


9QGP 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


10ALICEA Large Ion Collider Experiment

~30 paesi, ~100 Istituti~1000 fisici

F Antinori - Fisica di frontiera a Padova - 2 febbraio 2011 11

18/01/2012

ALICE

Dim: 16 × 16 × 26 m3

Peso: 10,000 t 11F Antinori - Fisica di frontiera a Padova - 2 febbraio 2011


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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● Inner Tracking System

Silicon Pixel DetectorSilicon Strip DetectorSilicon 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● Time Projection Chamber

Rivelatore a gasmisurano 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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● Transition Radiation Detectormisura la radiazione di transizione

● Contiene diversi strati di materiale con diverso indice di rifrazione

● 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

Per identificare le particelle:

● Time of FlightResistive 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

● Alta risoluzione temporale

I principali rivelatori di ALICE: TOF e TRD


16I principali rivelatori di ALICE: EMCAL

● ElectroMagnetic Calorimeterserve 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 α → atomo scoperta del nucleo• SLAC electron scattering e → protone scoperta dei quarks

• 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?

SONDApenetrating beam(jets or heavy particles)

???absorption or scattering pattern

QGP


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La piu` alta densita` di energia… mai raggiunta artificialmente

● ε = energia per unità di volume:

● ε ~ alcuni GeV/fm3 alcuni miliardi di tonnellate/cm3 !

● ~ 3 volte più alta che a RHIC

22T

ch pmd

dNA

V

E +⋅⋅==η

ε


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Asimmetria azimutale

φ

x

yz

φ

• 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

• 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

● v2 (che quantifica l'asimmetria) al limite idrodinamico per un fluido a viscosità bassissima liquido quasi “perfetto”

Liquid Li Explodes into Vacuum


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Soppressione delle sonde● produzione di particelle ad alto impulso trasverso (pT)

o alta massa (charm, beauty)

● ci si aspetta che scali come il numero di collisioni binarie nucleone-nucleone:

● a meno di effetti “nucleari”

● p.es.: le particelle possono perdere energia nell’attraversare la fireball (“jet quenching”)

● si definisce un “fattore di modifica nucleare” RAA:

● in assenza di effetti nucleari RAA = 1

7 “partecipanti”12 “collisioni binarie” (Ncoll)

e.g.:

ppTcoll

AAT dp

dNN

dp

dN =

R AA=Yield in A+A

N binary×Yield in p+p E` come fare una radiografia del QGP


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Forte soppressione... degli adroni

MA i fotoni, che non subiscono interazione forte, non sono soppressi

… delle particelle pesanti (charm)

… della J/ψ (stato legato del charm)


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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

● Spettro di fotoni dal QGP

4,000,000,000,000 K ~250,000 x TSole

Red HotWhite Hot Not Red Hot!


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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

– 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!!!

Grazie per l'attenzione e buon divertimento!

“It's still the last frontier you might say. We're still out here dancing on the edge of the world.“ (Lawrence Ferlinghetti)


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La geometria della collisione● collisioni periferiche

● grande distanza● basso numero di partecipanti bassa molteplicità

● collisioni centrali● piccola distanza● alto numero di partecipanti alta molteplicità

centraliperiferiche

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)


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La piu` alta densita` di energia… mai raggiunta artificialmente

● ε = energia per unità di volume:

● ε ~ alcuni GeV/fm3 ● alcuni miliardi di tonnellate/cm3 !

● ~ 3 volte più alta che a RHIC

22T

ch pmd

dNA

V

E +⋅⋅==η

ε


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Asimmetria azimutale

φ

x

yz

φ

• 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

• 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:

● 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”

1+2v1 cos(ϕ )+2v 2 cos( 2ϕ)+.. .


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Soppressione delle sonde● produzione di particelle ad alto impulso trasverso (pT)

o alta massa (charm, beauty)

● ci si aspetta che scali come il numero di collisioni binarie nucleone-nucleone:

● a meno di effetti “nucleari”

● p.es.: le particelle possono perdere energia nell’attraversare la fireball (“jet quenching”)

● si definisce un “fattore di modifica nucleare” RAA:

● in assenza di effetti nucleari RAA = 1

7 “partecipanti”12 “collisioni binarie” (Ncoll)

e.g.:

dNdpT

∣AA=⟨N coll⟩dNdpT

∣pp

R AA=Yield in A+A

N binary×Yield in p+p


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Forte soppressioneForte soppressione degli adroni con alto momento trasverso● Aumenta con la centralita`

Dal RHIC sappiamo● I fotoni, che non subiscono interazione forte, non sono soppressi

Anche le particelle pesanti (charm) sono soppresse

… e forse hanno asimmetria azimutale

→ 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

● Diversi stati eccitati di charm si dissolvono a diverse temperature→ spettroscopia di charm funziona come termomenetro di QGP

P e r t u r b a t i v e V a c u u m

cc

C o l o r S c r e e n i n g

cc Soppresssione quantificata con RAA


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Radiazione Elettromagnetica● Unico modo diretto di misurare la temperatura del QGP: misurare la

radiazione termica che emette

● 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

alice: l'esperimento e la...

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