t highenergy nuclear collisions · highenergy nuclear collisions qgpws, jaipur, 1 st – 3 rd feb...

54
1 QGPWS, Jaipur, 1 st  – 3 rd  Feb 2008                                                                                        David d'Enterria QGP Winter School Jaipur, India, Feb. 1 st  - 3 rd  2008 David d’Enterria CERN High-p High-p T  hadrons & jets in  hadrons & jets in high-energy nuclear collisions high-energy nuclear collisions

Upload: others

Post on 23-Jan-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

1QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

QGP Winter School

Jaipur, India, Feb. 1st ­ 3rd 2008

David d’EnterriaCERN

High­pHigh­pTT hadrons & jets in hadrons & jets inhigh­energy nuclear collisionshigh­energy nuclear collisions

2QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

OverviewOverview

q­hat = ?dNg/dy = ?cs =?

■ Suppressed    high­pT hadron    spectra:

■ Modified high­pT    dihadron      correlations:

■ Full jet reco,    ­jet, modified     FFs:

Fast­kT (D=0.4),area substraction

Hot/dense QCD matter properties via “jet quenching”

3QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

QCD matter with heavy­ions: physics menuQCD matter with heavy­ions: physics menu

ε /T4

T/Tc

▪ High­density QCD at small­x: CGC

▪ QCD at high­temperature: QGP

▪ Gauge­gravity duality: AdS/QCD

 N = 4 

SU(Nc)

BH in 

AdS5 x S 5

(s tack of 4 D3 bran es)

✱ (de)confinement✱ chiral symm. restoration✱ early Universe thermodyn.

4QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Early-time probes of QGPEarly-time probes of QGP

▪ HE A­A colls. produce expanding QGP: V~O(103 fm3) for ~10 fm/c▪ Collision dynamics: Diff. observables sensitive to diff. reaction stages

Tim

e

Penetrating

probes t~0.1 fm/c

t ~ 10 fm/c

t ~ 107 fm/c

Final state probes

Penetrating probes

5QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Hard probes of hot/dense QCD matterHard probes of hot/dense QCD matter

Z,

“Jet quenching” 

J/Ψ & Υ suppression

direct , *, Z(control)

 ▪ Hard probes: large­Q2 (Q>2 GeV/c), early­time production (~1/Q<0.1 fm/c) ▪ “Self­generated tomographic probes of the hottest and densest phases of     A­A collisions, well controlled experimentally & theoretically.”

6QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

““Jet quenching” as a QGP probeJet quenching” as a QGP probe

� gluonsstrahlung�

∆Eloss(g)   >  ∆Eloss(q)   >  ∆Eloss(Q)                      (color factor)         (mass effect)

∝ (q, gluon density, L2)GLV

BDMPS

ˆ

▪ Parton energy loss: multiple non­Abelian (=gluon) radiation off the produced hard parton induced by the dense QCD medium:

▪ Parton energy loss ➠ Medium properties:

▪    transport coefficient: 

▪ Flavour­dependent energy loss:

▪ Energy lost carried away by gluons in broadened jet cone:

µ

λµ22

ˆ ≈=Lk

q T : Debye mass: mean free­path λ

7QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

25-years of � jet quenching� phenomenology25-years of � jet quenching� phenomenology

▪ Mono-jets:

▪ Jet broadening in :

XNWang&Gyulassy PRL 68, 1480 (1992)

Armesto et alhep­ph/0405301

▪ Leading hadron suppression:

▪ Medium-modified FFs:

X.N.Wang,A.MajumderSalgado&Wiedemann;Arleo, ...

Bjorken, FERMILAB­PUB­82­059­THY.1982

▪ Mach-cones in :

θM Trigger

cos M scθ =

Stoecker et al. hep­ph/0505245.Casalderrey, Shuryak, hep­ph/0411315

Cerenkov angles, ...

...

Nchjet increases

<zjet> decreases

8QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

I. High­pI. High­pTT single inclusive  single inclusive hadron spectrahadron spectra

9QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pTT (leading) hadrons (leading) hadrons

pT< 2 GeV/c: Expo. (Ed3σ/d3p ~ e-6pT) w/ constant inv. slope: ~ 160 MeV ~ Tcrit

Thermal­like soft hadrons:  e­6pT √s­indep.

Hard scatt.: 1/pT

n (√s­depend.)

pT~2GeV/c

■ Above pT~ 2 GeV/c: single spectra dominated by fragmentation hadrons

carrying a large fraction of parent parton pT (<z>=phad/pparton~0.7 @ RHIC)

10QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High-pHigh-pTT hadrons: pQCD factorization theorem hadrons: pQCD factorization theorem

(1) Hadron = collection of partons        described by PDFs(x,Q2):

■ Production cross section computable as a convolution of 3 terms: 1 short-

distance (pQCD parton-parton) & 2 long-distance (PDF, FF)

(2) High-Q2 parton-parton x-sections computed

perturbatively at a given O(s):

(3) Parton (jet) fragmentation into          hadrons described by a FF(z,Q2):

x1

x2

hadronjet

11QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High-pHigh-pTT hadron spectra: p-p hadron spectra: p-p @ @ 200 GeV200 GeV

■ High pT hadron spectra very well described by NLO pQCD:

PHENIX Collab.

PRD76, 051106(R) (2007)

■ Data sensitive to different     parametrizations of gluon FF 

M. Ru sscher , QM06

12QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Hard yields in p-A, A-A collisions (no medium effects)Hard yields in p-A, A-A collisions (no medium effects)

A

B

dσAB  → hard = A∙B∙dσpp  → hard

dNAB  → hard (b) = TAB(b)∙dσpp  → hard

Nuclear Modification Factor:

At impact parameter b:

geom. nuclear overlap at b non­pQCD prod.

TAB ~ Ncoll (# of nucleon­nucleon colls at b)

A­B = “simple superposition of p­p collisions”⇒ nPDF: independent sum of “free” partons:  

dσpA  → hard = A∙dσpp  → hard

■ Factorization theorem for nuclear collisions:

■ "Ncoll scaling� :

13QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pTT hadron spectra: d-Au hadron spectra: d-Au @ 200 GeV@ 200 GeV

π0

PHENIX, nucl-ex/0610036

η

PHENIX,

nucl-ex/0611006

■ Small "cold nuclear matter" modifications (Cronin, shadowing): ~20%

π,h

■ Only protons (factor ~2 enhancement)

deviate from "vacuum" production

STAR: nucl-ex/0604018

p,p_

14QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pTT pion spectra: Au-Au pion spectra: Au-Au @ 200 GeV@ 200 GeV

Au+Au→ π0 X (peripheral) Au+Au→ π0 X (central)

Peripheral data agree well with Strong suppression in

p+p (data&pQCD) plus Ncoll scaling central Au+Au collisions

15QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

AuAu (dAu) @ 200 GeV:AuAu (dAu) @ 200 GeV: high phigh p

TT (un)suppression ! (un)suppression !

                  

x4­5 suppression

■ RAA << 1: well belowpQCD expectations for hard scattering x­sections in vacuum

π0,h ±

■ Au­Au suppression due to final­state interactions absent in “control” d­Au colls.

PRL 91, 0723ii (2003)

PHENIX, PRL 88, 022301 (2002)

16QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression suppression ⇒⇒ QCD medium properties QCD medium properties■ Medium properties via data vs. � jet quenching� models:

Initial gluon densities (GLV):

dNg/dy = 1400+270

Transport coefficients

■ Other models: Temperatures [AMY]: T ~ 0.4 GeV [G. Moore], Opacities: <n> = L/λ  ≈ 3 � 4 [Levai et al.]

Energy losses: dE/dx≈ 0.25 GeV/fm (expanding), dE/dx|eff ≈ 14 GeV/fm (static) [X.N.Wang]

Large opacities imply fast thermalization.

All these values imply energy densities well above εcrit QCD in thermalized syst.

[BDMPS/PQM]

<q0> ~ 13.2+2.1 GeV2/fm

[Vitev & Gyulassy]

PHENIX, arxiv:0801.1655

-150

-3.2

17QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression (I): hadron “universality”suppression (I): hadron “universality”

■ Photons are unsuppressed but π0,η,h± show a common suppression pattern (magnitude, pT, centrality, ...):

   

■ Same flat RAA ~ 0.2 up to 10 GeV/c

■ Universal suppression for light mesons consistent with quenching at partonic level prior to q,g fragmentation into leading meson according to vacuum FFs.

PRL 96, 202301 (2006) 

✔✔

18QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression (II): psuppression (II): pTT­dependence­dependence

 ■ Flat pT­dependence described by parton energy loss models:

   

■ Underlying LPM interference for single gluon bremsstrahlung would give: ∆Eloss ~ log(pT)

■ Combination of diff. effects (convolution w/ realistic parton radiation energy distrib., local parton pT slope, nuclear PDFs ...) yields constant quenching factor.

PQM – A. Dainese, C. Loizides, G. PaicEPJ C 38, 461(2005)

GLV – I. Vitev 2005

✔✔

19QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression (III): Excitation functionsuppression (III): Excitation function

 ■ c.m. energy dependence in agreement with parton energy loss in            increasingly dense medium:   

RAA ~ 1 @ √s ~ 20 GeV  ⇒ dNg/dy ~ 400       ,  <q0> ~ 3.5 GeV2/fmRAA ~ 0.3 @ √s = 62 GeV ⇒ dNg/dy ~ 650       ,  <q0> ~ 7 GeV2/fmRAA ~ 0.2 @√s =200 GeV ⇒ dNg/dy ~ 1100     ,  <q0> ~ 14 GeV2/fm

[RAA @ SPS  uses “revised” pp ref.]

 Initial gluon density:  Medium transport coeff.: SPSRHICRHIC

D.d'E., EJP C 43 (2005)295PHENIX, arXiv:0801.iii

Au­AuCu­Cu

(less suppression in lighter systems)

✔✔

20QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression (IV): centrality­dependencesuppression (IV): centrality­dependence

PQM – Loizides EPJ C 38, 461(2005)

 ■ Increasing centrality i.e. Npart ⇒  increased L, ρ ⇒  larger suppression ■ Theory predicts: log(RAA) ∝Npart

−2/3

 ■ Agreement data ↔ models as expected for     diff. suppressions at diff. (geometrical)     parton production points.

   

PHENIX, arXiv:0801.iii

nEXP~0.58±0.1 consistent with nTH~2/3

✔✔

21QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression (V): path­length dependencesuppression (V): path­length dependence

∆φ = 0°

∆φ = 90°

No apparent Eloss for L< 2 fm“Corona effect” effect? V. Pantuev hep­ph/0506095

 ■ Parton Eloss path­length ∝ L2 (static), L (expanding):

matter thickness

     Less suppression in­plane  (“short” direction)     More suppression out­of­plane (“long” direction)

~2 fm

Eloss approx. linear with L formost centralities,

PRC76, 034904 (2007)

✔✔

22QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression (VI): non­Abelian naturesuppression (VI): non­Abelian nature

■ Gluons radiate ✕2 more than quarks:

■ TEST 1: At fixed pT & increasing √s     (i.e. at lower x): increased fraction    of gluons ⇒ increased quenching

   

Non­Abelian energy loss modelpreferred over “non­QCD” (qloss=gloss) 

Gluon: CA = Nc = 3Quark: CF =(Nc

2­1)/2Nc = 4/3

pT = 5 GeV/c, √s = 10­5500 GeV

CA /CF=2.25}

SPS=q

RHIC=q,g

LHC=g D.d'E., EJP C 43 (2005)295q­rich

q,g~50%

✔✔

23QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression (VI): non­Abelian nature     ?suppression (VI): non­Abelian nature     ?

■ TEST 2: A large fraction of high­pT    (anti)protons from gluon­fragmentation    ⇒ increased p over  quenching   

   STAR, PRL 97, 152301 (2006)

■ But above 6 GeV/c, similar ,p    suppression: no apparent     stronger gluon energy loss 

(Need new calculations, with  latest baryon FF: AKK, DSS)

pT (GeV/ c)

p/ π

40%  from gluons

90% p,p from gluons_

dAu

■ However, (anti)proton production not    well “calibrated”: enhanced in “cold     QCD matter” (extra non­pQCD mechanism ?)

✔✔

24QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression (VII): Mass effect ?suppression (VII): Mass effect ?

⇒ Heavy­Q expected to lose less energy than light­q.■ High­pT e± from heavy­quark decays equally suppressed as pions:                    RAA~0.2 above ~6 GeV/c. Radiative energy loss fails to reproduce data.

■ less bottom fraction ? Additional quenching from collisional energy loss ?    ⇒ need to directly reconstruct D (and B) mesons.

■ “Dead­cone” effect: Massive quarks     cannot radiate gluons at low angles      (causality requirement: since vQ<c)

STAR, PRL (2006)

PHENIX, PRL (2006)

[Dokshitzer & Kharzeev]

25QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT  T  single hadron suppression: summarysingle hadron suppression: summary

▪ Hadrons (but not ) above pT~5 GeV/c suppressed in central Au­Au by     a factor of ~5 wrt. “vacuum” (p­p) or “cold QCD matter” (d­Au) parton     fragmentation.

 ▪ Magnitude of quenching consistent with parton energy loss model    predictions in a very opaque system: dNg/dy~1400 or q~13 GeV2/fm

 ❤ Most observed properties of the quenching factor consistent with     radiative Eloss: pT, centrality, √s, path­length, “non­Abelianity”, ...

 A few “glitches” in the canonical interpretation: ♦ no dead­cone effect for heavy­Q  (collisional Eloss ?)    ♦ ~2­fm path­length “unsuppression” (“corona” effect ?)    ♦ (anti)protons not from gluon fragmentation (extra production ?)

26QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT T suppression: outlook (CMS @ LHC)suppression: outlook (CMS @ LHC)

▪ Physics reach (Pb­Pb @ 5.5 TeV, 0.5 nb­1, HLT): spectra, RAA

pT~300 GeV/c (Slower rise in BDMPS than in GLV)

▪ RAA at the LHC not independent of pT:   more sensitivity to energy loss distribution 

27QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

II. High­pII. High­pTT di­hadron  di­hadron   correlations correlations

28QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Jet reconstruction in Au-Au at RHIC ?Jet reconstruction in Au-Au at RHIC ?

▪ Full jet reconstruction w/ std algorithms is unpractical (but possible?) at

RHIC due to (i) low jet yields, (ii) large soft background (� underlying event� ):

p+p →jet+jet  [√s = 200 GeV] Au+Au → X [√sNN = 200 GeV]

29QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

�� Jet physics� in Au-Au at RHICJet physics� in Au-Au at RHIC

▪ Alternative I : Study energy modifications suffered by the highest pT hadrons    in (“leading” hadron of the jet) in AA compared to pp:

p+p →jet+jet  [√s = 200 GeV] Au+Au → X [√sNN = 200 GeV]

30QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

�� Jet physics� in Au-Au at RHICJet physics� in Au-Au at RHIC

▪ Alternative II : Study the azimuthal correlations in AA relative to pp between highest pT hadron (“trigger”) & any other “associated” hadron:

p+p →jet+jet  [√s = 200 GeV] Au+Au → X [√sNN = 200 GeV]

31QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

�� Jet physics� in Au-Au at RHICJet physics� in Au-Au at RHIC

▪ Alternative II : Study the azimuthal correlations in AA relative to pp between highest pT hadron (“trigger”) & any other “associated” hadron:

p+p →jet+jet  [√s = 200 GeV] Au+Au → X [√sNN = 200 GeV]

32QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Dijets via di-hadron Dijets via di-hadron ∆φ∆φ correlations: pp, dAu correlations: pp, dAu

▪ Study dijet events “statistically”: via typical back­to­back azimuthal    correlations of produced hadron pairs (h±­ – h±, π0,± – h±):

▪ Clear near-side (∆φ ~ 0) and

away-side (∆φ ~ π) jet signals: 3­5 GeV/c

 d+Au

Near­side  

away­side

2­3 GeV/c

p+p

 dAu

pp

pTassoc = 2­3 GeV/c pT

assoc = 3­5 GeV/c

▪ Trigger: highest pT (leading) hadron.

▪ Associated ∆φ distribution (e.g. ”assorted”:    2 GeV/c < pT

assoc < pTtrigger)

33QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Dijets via dihadron Dijets via dihadron ∆φ∆φ correlations: central AuAu correlations: central AuAu

▪ Au­Au:    ­ trigger hadron: from parton at surface   ­ away­side hadron: from quenched parton

▪ Same analysis as in pp, dAu but:   ­ larger underlying event   ­ elliptic flow subtraction

▪ Main experimental findings:

“punch­through” at high pT

Near­side: approx. unmodified

Away­side: “disappearance” at semi­hard pT

broadening/softening at low pT

“splitting” at intermediate pT

34QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

AuAu dihadron AuAu dihadron ∆φ∆φ correlations: semi-hard, low- p correlations: semi-hard, low- pTT

▪ “Jet remnants” reappear at low pT

   as a broader/softened structure:pT trigg= 4 – 6 GeV/cpTassoc = 0.15 – 4 GeV/c

STAR, PRL90, 082302 (03) 

1/N t

rigge

r dN/

d(∆φ

)

pT trigg= 4 – 6 GeV/cpTassoc > 2 GeV/c

1/N t

rigge

r dN/

d(∆φ

) ∆φ (radians)

STAR, PRL95,152301(05)

▪ Away­side peak disappears: “monojet”­     like topology:

<pT> away­side hadrons (p­p) ~ 1. GeV/c<pT> away­side hadrons (Au­Au) ~ 0.7 GeV/c<pT> inclusive hadrons (Au­Au): ~0.6 GeV/c

35QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

AuAu dihadron AuAu dihadron ∆φ∆φ correlations: away-side splitting correlations: away-side splitting

▪ Strongly modified away­side   correlations at intermediate pT's :    (1) Away­side “dip” at    (2) Excess of activity (“double peak”, “shoulders”) at:  ±1.1 rad  

arXiv:0801.iii

0-12%

0­12%2.5 < pT,trig < 4.0 GeV/c1.0 < pT,assoc < 2.5 GeV/c

▪ Splitting angle doesn't vary   much in wide range of centralities

(rads)

arXiv:0801.iii

36QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

AuAu dihadron AuAu dihadron ∆φ∆φ correlations: splitting interpretations correlations: splitting interpretations

▪ Large angle gluon rad.

A. Polosa, C. Salgado

Also: Vitev, Phys. Lett. B630 (2005)

Quenched­jet scatters through medium radiates large­angle gluon (“Mercedes” topology)

▪ But also: deflected jets ...

▪ Mach cone

T. Renk, J. Ruppert 

hep­ph/0411315 Casalderrey,Shuryak,Teaneynucl­th/0406018 Stoeckerhep­ph/0503158 Muller,Ruppertnucl­th/0503028 A. K. Chaudhuri

▪ Cerenkov radiation

I. Dremin;V. Koch,A. Majumder, X­N. Wangnucl­th/0507063

Quenched­jet generates a sonic shock­boom whilepropagating thru medium. Speed­of­sound accessible:

Quenched­jet radiates at fixed angle when traversing the medium at v > c. Gluondielectric coeffic. accessible:

( ) nem1cos =θ

cos M scθ =

37QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

AuAu dihadron 3-particle AuAu dihadron 3-particle ∆φ∆φ correlations: splitting correlations: splitting

∆φ1

3

∆φ12

0 π 2π

π

Cone­like structure 

in each event

 ▪ 3­particle help discriminate among various physics mechanisms:

However: Large backgrounds , background shapes not s im p le

Mediumaw ay

near

deflected jets

aw ay

near

Medium

Mach cone

∆φ12

0 π 2π

2π∆φ1

3

πEvent­by­event deflection of jets

[M.v Leeuwen, QM06]

38QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

AuAu dihadron 3-particle AuAu dihadron 3-particle ∆φ∆φ correlations: results correlations: results

Au+ Au 0- 12%

(∆φ12- ∆φ13)/ 2

(∆φ12+ ∆φ13)/ 2- π

PHENIX Preliminary

C. Prun eau , J. UleryC. Zh an g, N. Ajitan an d

∆ϕ1

3

Cumulant analysis:Model­independentNon­zero 3­particle structure

Jet+background analysis:Model­dependent, more sensitiveOff­diagonal peaks consistent with conical emission

(Different coordinates)No ‘deflected­jet peak’consistent with conical emission

∆ϕ12

Cone­like emission favoured

3 < pT,t r ig < 4 GeV/ c

1 < pT,as s oc < 2 GeV/ c

[M.v Leeuwen, QM06]

39QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Jet fragmentation: azimuthal � charge ordering�Jet fragmentation: azimuthal � charge ordering�

▪ Strong dynamical charge correlations are expected in jet fragmentation:

▪ Compare ++ and ­­ correlations to +­

▪ Similar charge ordering observed    in pp, AuAu & jet­fragmentation MC.

pT > 4 GeV/c: same hadron production mechanism in central Au­Au & pp

STAR, PRL , (2002) 

40QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

High pHigh pT  T  dihadron correlations: summarydihadron correlations: summary

▪ High­pT 2­,3­ hadron  correlations: allow access medium­modified dijets

 ▪ Jet­like correlations clearly present: near­side shape, charge ordering

 ▪ Away­side associated hadrons strongly modified:     ­ Low pT: yield strongly enhanced, softened & broadened    ­ Mid­pT: double­peak structure with conical­like emission at ~1.1 rad    ­ Semi­hard pT: away­side peak strongly suppressed    ­ High­pT (pT~8 GeV/c): away­side peak reappears (“punchthrough”)

 ▪ Rich phenomena at intermediate pT: Tantalizing connections to collective    medium response to hard partons (speed of sound, index of refraction, ...)     but theory­data comparison challenging.

41QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

III. Jet reconstruction, III. Jet reconstruction,  jet, jet, fragmentation functionsfragmentation functions

42QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Backup slidesBackup slides

43QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

d+Au, 40­100%

Au+Au, 0­5%

STAR preliminary

3 < pT(trig) < 6 GeV2 < pT(assoc) < pT(trig)

[D. Magestro, HP'04]

Dihadron Dihadron ∆η∆η correlations: AuAu (200 GeV) correlations: AuAu (200 GeV)

Significant broadening of pseudo-rapidity

    correlations in AuAu compared to pp,dAu.    (“stretching” of jet cone along η).

Coupling of g radiation w/ longitud. expanding medium?STAR preliminary p+p

Au+Au, 0­5%

near­side width

44QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Dijets via dihadron Dijets via dihadron ∆φ∆φ correlations: central AuAu correlations: central AuAu

Ajitanand, ICPAQGP'04and nucl­ex/0501025 

▪ Delicate subtraction procedure (esp. in finite acceptances). 

▪ Same dNpair/d analysis as in pp (dAu) but 2 extra � complications�:

(1) Increased � underlying event� background

(2) Collective elliptic flow (harmonic) contribution

45QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Dihadron Dihadron ∆φ∆φ correlations: AuAu away-side splitting correlations: AuAu away-side splitting

PHENIX (nucl-ex/0507004)

p er ip hera l: norm a l je t p a t tern

Emergence of a Volcano Shape

Correlation of soft ~1-2 GeV/c jet partnersCorrelation of soft ~1-2 GeV/c jet partners

46QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Dihadron Dihadron ∆φ∆φ correlations: splitting correlations: splitting

 Double peak structure at π ± 1.2 rad reminiscent of Mach wave           conical shock (“sonic boom”) in medium ⇒ speed of sound accessible    

33.0)(1∫ ττ

τ sf

avs cdc

cos M scθ =

θM Trigger

Mach cone:

θ = arccos(<cs>) ~ 1.2 rad   

(time­averaged)

 ~ θexp 

→ HRG (cs~√0.2)

→ phase transition (cs~0.)

→ QGP (cs~1/√3)

= ~<cs>

47QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Jet properties from dihadron correlationsJet properties from dihadron correlations

Jet “width”  j T :

Di­jet acoplanarity k T:

 (1) 2­hadron correlation function:

(2) Fit to 2­gaussians:          near­side σN, far­side σF widths

(3) Extraction of jT, kT from σN, σF via     [*], [**] (and dN/dxE from YieldN,F)     

[*]

[**]

near­side               far­side 

[details in J.Jia, nucl­ex/0409024]

48QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Mean transverse momentum of jet hadrons Mean transverse momentum of jet hadrons (j(jTT): pp, dAu): pp, dAu

Jet (near­angle) “width” jT :jT

p+p

Pythia + GEANT

< jT> ~ 500 MeV/c (from full jet reco) p+p

< jTy> ~350 MeV/c ≡ < jT> ~ 500 MeV/c 

• < jT> ~ 500 MeV/c:  Agreement      between RHIC and ISR data.

• No apparent difference            between dAu and pp.

• Fragmentation not affected        by cold QCD medium.

[J.Rak, QM'04]

49QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Di-jet acoplanarity (� intrinsic� kDi-jet acoplanarity (� intrinsic� kTT) : pp, dAu) : pp, dAu

Intrinsic kT (di­jet acoplanarity):

Tk

Jet 2

Jet 1

∆ϕ

⟨z⟩ = 0.75  taken as constant

• Non­negligible pp kT broadening:  <kTy> ~ 1.1 GeV/c   (not observed in high pT spectra <kT>pair≠<kT>incl)

• Non­null (but small) dAu <kT>nuclear 

(constraints models of multiple scattering in cold nuclear medium)

nuclearTppTdAuT kkk 222

R=0.35

d+Au

= +

∆φ=0.22±0.02±0.06 

∆φ=0.31±0.05±0.06

(from full jet reco: ET~13 GeV) 

50QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Di-jet acoplanarity (� intrinsic� kDi-jet acoplanarity (� intrinsic� kTT): Excitation function (pp)): Excitation function (pp)

Dihadron in pp @ RHIC<kT> ~ 1.8 GeV/c

sqrt(s)­dependence of <kT>pair:

(Logarithmic) increase with sqrt(s) consistent with growing gluon radiation contribution (not just intrinsic parton Fermi motion).

51QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Jet properties (jJet properties (jTT, k, k

TT): AuAu (200 GeV)): AuAu (200 GeV)

 Preliminary

pp <z><|kTy|>

pp <|jTy|>

pTtrigg =2.5 – 4.0 GeV/c , pTassoc  = 1.0 – 2.5 GeV/c

Centrality dependence of ⟨|jTy|⟩ and ⟨z⟩ ⟨|kTy|⟩ in Au+Au:

<jT>AuAu~ <jT>pp: near­side fragmentation unaffected by QCD medium.

Significant kT broadening (kT~3 GeV/c) in AuAu (strongly centrality dependent) indicating substantial final­state rescattering of away­side fragmenting parton.

[J.Rak, QM'04]

52QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

AdS/CFT correspondence and sQGP propertiesAdS/CFT correspondence and sQGP properties

Classical gravity limit

NN = 4 Super-Yang-Mills theory in 4d with SU(NC)

Ap p ly to both d ynam ical and therm od ynam ic observables .

YM observables at in fin ite NC and in fin ite coup ling can be com p uted us ing class ical gravity

A s t r ing theory in 5d Ad S

Fin ite tem p eratu reLarge NC and

s t rong coup ling lim it

Black hole in Ad S5

53QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

BDMPS transport coefficient (q) in N=4 SYMBDMPS transport coefficient (q) in N=4 SYM

( )( )

33

45

432/3

69.26ˆ TNTq cSYMSYM αλπ ≈Γ

Γ=

/fm.GeV 4.5ˆ 2=SYMq MeV TCN s 300 ,21 ,3 === α• Take:

Black hole in AdS spacetime: radial coordinate r,• horizon: r=r0

• constant r surface:   (3+1)­dim Minkowski spacetime

horiz on

r0€

r=∞

Recipe: (i) Non pQCD definition of qhat:(ii) Compute qhat in strongly coupled Super­Yang­Mills theory using AdS/CFT

Our (3+1)­dim world,  Wilson loop C in our world

: area of string worldsheet with boundary C

S(C)

54QGPWS, Jaipur, 1st – 3rd Feb 2008                                                                                             David d'Enterria (CERN)

Drag force for heavy quarks in N=4 SYMDrag force for heavy quarks in N=4 SYMHerzog, Karch, Kovtun, Kozcaz, Yaffe; Gubser, …….

Drag force for a heavy quark moving in the medium: 

Casalderrey­Solana, Teaney

Fluctuation­dissipation theorem

Diffusion coefficient: 

Note: D can not be used to find  q̂

It is possible to analyze the energy flow pattern                      (indications of conical flow)

 Fluctuation­dissipation theorem assumes the quark is in equilibrium with the medium: does not apply to high energy jet

J. J. Friess, S. S. G ubser and

G . M ichalogiorgakis,arXiv:hep­th/0605292.