Das Quark-Gluon-Plasma am LHC Hendrik van Hees Goethe-Universität Frankfurt 23. November 2011 Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 1 / 39 Inhalt 1 Die Schönheit der Naturgesetze: Symmetrien Was ist Symmetrie? Symmetrie der Naturgesetze und Erhaltungsgrößen Spontane Symmetriebrechung und Phasenübergänge 2 Elementarteilchen und fundamentale Kräfte Was sind die kleinsten Teilchen? Die fundamentalen Kräfte Bosonen und Fermmionen 3 Das Quark-Gluon-Plasma und Schwerionenstöße Das Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie Schwerionen-Experimente am LHC Phänomenologie der ultrarelativistischen Schwerionenreaktionen Woher kommt die Masse? Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 2 / 39 Die Schönheit der Naturgesetze: Symmetrien Was ist Symmetrie? Geometrie: Operationen wie Drehungen oder Verschiebungen an symmetrischen Objekten ändern diese Objekte nicht. Beispiel: Drehen eines regelmäßigen Sechsechs um 60◦ ändert es nicht ⇒ Symmetrie! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 3 / 39 Die Schönheit der Naturgesetze: Symmetrien Was ist Symmetrie? Geometrie: Operationen wie Drehungen oder Verschiebungen an symmetrischen Objekten ändern diese Objekte nicht. Beispiel: Drehen eines regelmäßigen Sechsechs um 60◦ ändert es nicht ⇒ Symmetrie! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 3 / 39 Die Schönheit der Naturgesetze: Symmetrien Was ist Symmetrie? Geometrie: Operationen wie Drehungen oder Verschiebungen an symmetrischen Objekten ändern diese Objekte nicht. Beispiel: Drehen eines regelmäßigen Sechsechs um 60◦ ändert es nicht ⇒ Symmetrie! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 3 / 39 Die Schönheit der Naturgesetze: Symmetrien Was ist Symmetrie? Geometrie: Operationen wie Drehungen oder Verschiebungen an symmetrischen Objekten ändern diese Objekte nicht. Beispiel: Drehen eines regelmäßigen Sechsechs um 60◦ ändert es nicht ⇒ Symmetrie! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 3 / 39 Die Schönheit der Naturgesetze: Symmetrien Was ist Symmetrie? Geometrie: Operationen wie Drehungen oder Verschiebungen an symmetrischen Objekten ändern diese Objekte nicht. Beispiel: Drehen eines regelmäßigen Sechsechs um 60◦ ändert es nicht ⇒ Symmetrie! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 3 / 39 Die Schönheit der Naturgesetze: Symmetrien Was ist Symmetrie? Geometrie: Operationen wie Drehungen oder Verschiebungen an symmetrischen Objekten ändern diese Objekte nicht. Beispiel: Drehen eines regelmäßigen Sechsechs um 60◦ ändert es nicht ⇒ Symmetrie! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 3 / 39 Die Schönheit der Naturgesetze: Symmetrien Was ist Symmetrie? Geometrie: Operationen wie Drehungen oder Verschiebungen an symmetrischen Objekten ändern diese Objekte nicht. Beispiel: Drehen eines regelmäßigen Sechsechs um 60◦ ändert es nicht ⇒ Symmetrie! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 3 / 39 Symmetrie der Naturgesetze und Erhaltungsgrößen Mathematik: Emmy Noether fand 1918 Zusammenhang zwischen Symmetrien von Naturgesetzen und Erhaltungssätzen Bewegungsgleichungen: Verhalten von physikalischen Objekten in der Zeit Symmetrie ⇔ Naturgesetze (Gleichungen) ändern sich nicht unter bestimmten Operationen mit den Größen Noether: Symmetrie der Naturgesetze ⇔ erhaltene Größe Beispiel 1: Naturgesetze ändern sich nicht mit der Zeit (Gleichungen immer dieselben) ⇒ Erhaltung der Energie! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 4 / 39 Symmetrie der Naturgesetze und Erhaltungsgrößen Mathematik: Emmy Noether fand 1918 Zusammenhang zwischen Symmetrien von Naturgesetzen und Erhaltungssätzen Bewegungsgleichungen: Verhalten von physikalischen Objekten in der Zeit Symmetrie ⇔ Naturgesetze (Gleichungen) ändern sich nicht unter bestimmten Operationen mit den Größen Noether: Symmetrie der Naturgesetze ⇔ erhaltene Größe Beispiel 1: Naturgesetze ändern sich nicht mit der Zeit (Gleichungen immer dieselben) ⇒ Erhaltung der Energie! Beispiel 2: Naturgesetze ändern sich nicht mit dem Ort (Bewegungsgleichungen überall dieselben) ⇒ Impulserhaltung Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 4 / 39 Spontane Symmetriebrechung Emmy Noether Gleichungen symmetrisch, aber nicht der Grundzustand Erhaltungssatz gilt aber Symmetrie ist nicht realisiert Beispiel: Drehen eines Stücks Eisen ⇔ unwesentlich für Naturgesetze Magnet ⇒ Magnetfeld zeichnet Richtung aus ⇒ Drehsymmetrie gebrochen Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 5 / 39 Spontane Symmetriebrechung Emmy Noether Gleichungen symmetrisch, aber nicht der Grundzustand Erhaltungssatz gilt aber Symmetrie ist nicht realisiert Beispiel: Drehen eines Stücks Eisen ⇔ unwesentlich für Naturgesetze Magnet ⇒ Magnetfeld zeichnet Richtung aus ⇒ Drehsymmetrie gebrochen Erhitzen des Magneten ⇒ Eisen wird plötzlich unmagnetisch sobald kritische Temperatur überschritten Phasenübergang ⇒ Drehsymmetrie wiederhergestellt Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 5 / 39 Ferromagnet: Mikroskopisches Bild ~ an Magnetisierung von Eisen: wende magnetisches Feld B Kleine “Elementarmagneten” richten sich aus ~ = 0 (energetisch günstiger!) Ausrichtung bleibt erhalten für B Ferromagnet wird zum Magneten Magnetfeld zeichnet Raumrichtung aus ⇒ spontane Brechung der Drehsymmetrie Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 6 / 39 Entmagnetisierung Aufheizen eines Permanentmagneten rüttelt an Elementarmagneten ab eienr kritischen Temperaturen: Ausrichtung der Elementarmagneten verloren (Phasenübergang!) Eisenstück ist kein Magnet mehr! keine Richtung ausgezeichnet Drehsymmetrie wiederhergestellt! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 7 / 39 Elementarteilchen Uralte Frage der Wissenschaft: Gibt es kleinste unteilbare Einheiten der Materie? Demokrit (460-370 BC): Es gibt nur Atome und den leeren Raum!“ ” Atom=griechisch für das Unteilbare“ ” Rutherford (1909-1911): der größte Teil des Atoms ist leerer Raum“ ” Hauptanteil der Masse im Atomkern Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 8 / 39 Elementarteilchen Elektronen sind elementar Atomkern setzt sich zusammen aus Nukleonen=Protonen und Neutronen Nukleonen bestehen aus up- und down-Quarks up-Quark: Ladung +2/3, Masse mu = 3 MeV/c 2 down-Quark: Ladung −1/3, Masse md = 6 MeV/c 2 Elektron: Ladung −1, Masse me = 0.5 MeV/c 2 Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 9 / 39 Die fundamentalen Kräfte Was hält die Teilchen zusammen (⇒ Materie)? Fundamentale Kräfte oder Wechelwirkungen Gesetze werden von Symmetrien bestimmt e.g., Erhaltung der elektrischen Ladung ⇔ Kraftvermittlungsteilchen“ (Wellenfelder ↔ Teilchen) für ” elektromagnetische Wechselwirkung Photon Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 10 / 39 Materieteilchen“ und Kraftteilchen“ ” ” γ g elektromagn. Kraft starke Kraft + 0 - W Z W G schwache Kraft Gravitation Materieteilchen“ Quarks und Leptonen Spin s = 1/2 ” Kraftteilchen“ Gluonen, Photonen (γ), W ± , Z 0 Spin s = 1 ” Symmetrie der Wechselwirkungen: Elementare Masse durch spontane Symmetriebrechung Higgsboson ⇒ Masse für Quarks, Leptonen, W , Z -Bosonen Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 11 / 39 Bosonen und Fermionen notwendige Folge der relativistischen Raum-Zeit-Symmetrie für ununterscheidbare Teilchen: Bosonen oder Fermionen Spin-Statistik-Theorem: Fermionen: nur ein Teilchen pro Zimmer“ ” Teilchen mit halbzahligem Spin Bosonen: bevorzugen Aufenthalt im gleichen Zimmer“ ” Teilchen mit ganzzahligem Spin Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 12 / 39 Der achtfache Pfad in then 1950-1960ern wurde in Beschleunigerexperimenten ein ganzer Teilchenzoo entdeckt die meisten sind Hadronen: Teilchen, auf die starke Kraft wirkt Gell-Mann, Zweig, Ne’eman (1961): alle Hadronen als gebundene Zustände von Spin-1/2-Teilchen mit Ladungen −1/3 und +2/3 Gell-Mann: Wie sollen sie heißn? Quarks! Symmetrieprinzipien brachte Ordnung ins Chaos: drei Quarks (up, down, strange) Murray Gell-Mann Nobel Prize in Physics (1969) Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 13 / 39 Der achtfache Pfad Symmetrie liefert zwei Quantenzahlen: Isospin und Strangeness Isospin und Strangeness erhalten bei starken Wechselwirkungen Anti-Quarks Quarks −1/2 S S 1/2 s1/3 1 I3 u2/3 d−1/3 u−2/3 −1 s−1/3 Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) −1/2 Das QGP am LHC 1/3 d 1/2 23. November 2011 I3 14 / 39 Der achtfache Pfad Mesons: “addiere” ein Quark und ein Anti-Quark (Bsp: |π − i = |d ūi) Mesonen K0 π− −1 −1/2 K− S 1 K+ π0 η 1/2 −1 Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) π +I 3 1 K0 Das QGP am LHC 23. November 2011 15 / 39 Der achtfache Pfad Mesons: “addiere” ein Quark und ein Anti-Quark (Bsp: |π − i = |d ūi) Baryonen: “addiere” drei Quarks (Bsp: |pi = |uudi) Baryonen Mesonen K0 π− −1 −1/2 K− S 1 K+ π0 η 1/2 −1 Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) n π +I Σ− 1 −1 −1/2 3 Ξ− K0 Das QGP am LHC S 0 p Σ0 Λ 1/2 −2 Σ+I 3 1 Ξ0 23. November 2011 15 / 39 Farbe Problem: man erhält nur alle Hadronen, wenn man drei Quarks im gleichen Zustand erlaubt! ABER: Quarks müssen Spin 1/2 besitzen sie müssen daher Fermionen sein (die nicht im gleichen Raum im Fermi-Hotel sein wollen!) andererseits funktioniert das Modell: vorhergesagtes Baryon |Ω− i = |sssi wurde gefunden! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 16 / 39 Farbe Problem: man erhält nur alle Hadronen, wenn man drei Quarks im gleichen Zustand erlaubt! ABER: Quarks müssen Spin 1/2 besitzen sie müssen daher Fermionen sein (die nicht im gleichen Raum im Fermi-Hotel sein wollen!) andererseits funktioniert das Modell: vorhergesagtes Baryon |Ω− i = |sssi wurde gefunden! Lösung: Jede Quarksorte kommt in drei Farben“ vor ” Alle Quarks von derselben Art sind gleich, können aber verschiedene Farbquantenzahlen besitzen ⇒ Symmetrie! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 16 / 39 Quantenchromodynamik Noch mehr Probleme: bislang hat noch niemand freie Quarks gefunden! Befreiung der Quarks: ⇒ versuche Meson auseinanderzubrechen Quarks in Hadronen gefangen 1973: Gross und Wilczek, Politzer Theorie basierend auf FarbSymmetry! : Man kann das Meson nicht auseinderbrechen. Stattdessen produziert man mehr Hadronen! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Kraft wird stärker für größere Abstände Grund: Kraftteilchen tragen selbst Farbe Das QGP am LHC 23. November 2011 17 / 39 Quantenchromodynamik Farbsymmetrie der Quarks (Farbladung erhalten) Kraftteilchen: Gluons (Spin 1) Materieteilchen: Quarks (spin 1/2) Theorie: Quantenchromodynamik (QCD) (griechisch: chromos=Farbe) Kraft wird schwächer bei kurzen Abständen (hohen Energien/Impulsen) Physik-Nobel-Preis 2004: αs 0.3 0.2 0.1 0 1 Gross, Wilczek, Politzer 10 µ (GeV) Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) 100 Das QGP am LHC 23. November 2011 18 / 39 Das Phasendiagramm stark wechselwirkender Materie Heiße, dichte Materie: Quarks und Gluonen dicht zusammengedrängt hochenergetische Stöße ⇒ Deconfinement“ ” Quarks und Gluonen relevante Freiheitsgrade ⇒ Quark-Gluon-Plasma immer noch stark wechselwirkend: Schnelle Thermalisierung! 0.25 Quark-Gluon-Plasma RHIC 0.15 hq̄qi = 6 0 0.0 SIS Kerne ng nu 0.05 Hadrongas AGS rd krit. Punkt hq̄qi = hqqi = 0 O 0.10 SPS 1. T [GeV] 0.20 hqqi = 6 0 µN Wie erzeugen wir ein QGP? Woher wissen wir, daß wir ein QGP erzeugt haben? Welche Eigenschaften hat das QGP? Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 19 / 39 Large Hadron Collider √ beschleunigt protonen auf s = 7 TeV √ beschleunigt Bleiatomkerne auf s = 2.76 ATeV Detektoren ATLAS: A Toroidal LHC Apparatus CMS: Compact Muon Solenoid LHCb: LHC-beauty ALICE: A Large Ion Collider Experiment Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 20 / 39 Large Hadron Collider Problem: Feuerball (QGP?) existiert nur sehr kurz ∼ 10 fm/c Quarks und Gluonen unbeobachtbar ⇒ messe Hadronen, Leptonen, Photonen Was sind Observablen für QGP? Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 21 / 39 Ultrarelativistische Schwerionenreaktionen hochenergetische Stöße von (schweren) Atomkernen viele Stöße der Partonen in den Nukleonen Erzeugung vieler Teilchen ⇒ heißer dichter Feuerball Erzeugung des Quark-Gluon-Plasmas (QGP)? Eigenschaften des QGP? Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 22 / 39 Hydrodynamisches Verhalten Teilchenspektren kompatibel mit kollektiver Bewegung eines idealen Fluids (Hydrodynamik) ⇒ kleines Scherviskositäts-Entropiedichte-Verhältnis η/s Medium im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (nach kurzer Formationszeit . 1 fm/c) y Au Au x v2 = D p2x−p2y p2x+p2y Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) E p (GeV) t Das QGP am LHC 23. November 2011 23 / 39 Hydrodynamisches Verhalten Scherviskosität/Entropiedichte η/s: Maß für Plasmakopplungsstärke Quantenmechanik oder Stringtheorie: η/s ≥ 1/(4π) ' 0.08 Feuerball bildet näherungsweise ideales Fluid 0.3 0.2 0.15 ALICE h+/- 30-40% ideal, avg η/s=0.08, avg ideal, e-b-e η/s=0.08, e-b-e η/s=0.16 , e-b-e 0.4 0.3 v2 0.25 v2 0.5 ALICE h+/- 10-20% ideal, avg η/s=0.08, avg ideal, e-b-e η/s=0.08, e-b-e η/s=0.16, e-b-e 0.2 0.1 0.05 0.1 LHC 2.76 TeV 0 LHC 2.76 TeV 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 pT [GeV] 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 pT [GeV] 3 3.5 4 [Bjoern Schenke, Sangyong Jeon, Charles Gale, Phys. Lett.B 702, 59 (2011)] Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 24 / 39 Skalierung von v2 mit der Anzahl der Konsituentenquarks Elliptischer Fluß skaliert mit Anzahl der Konstituentenquarks (had) v2 (had) (pT (q) (had) ) = nq v2 (pT /nq ) Rekombination von Quarks im Medium bei Tc 0.15 ALICE preliminary, Pb-Pb events at sNN = 2.76 TeV centrality 10%-20% v2/nq v2/nq Meson- oder Baryon-v2 = Summe der Quark-v2 ’s 0.15 ALICE preliminary, Pb-Pb events at sNN = 2.76 TeV centrality 40%-50% π± , v2{SP, |∆η|>1} 0.1 π± , v2{SP, |∆η|>1} K± , v {SP, |∆η|>1} 2 p, v {SP, |∆η|>1} 0.1 2 2 0.05 0.05 0 K± , v {SP, |∆η|>1} 2 p, v {SP, |∆η|>1} 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 (m -m0)/nq (GeV/c2) t 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 (m -m0)/nq (GeV/c2) t [M.Krzewicki (ALICE Collaboration) arXiv:1107.0080v1 [nucl-ex]] Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 25 / 39 Jet-Quenching Jets, die durch Medium gehen, unterdrückt tritt nicht in d+Au-Stößen auf ⇒ Mediumeffekt! Unterdrückung: Medium hoher Dichte ⇒ ρ > ρkrit Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 26 / 39 Jet-Quenching Vergleich zu Proton-Proton-Stößen: RAA = dNAA /dpt Ncoll dNpp /dpt RAA < 1 für große pt : Jets durch Medium abgebremst Photonen (γ) kaum unterdrückt: Medium für Photonen durchsichtig γ wechselwirken nur elektromagnetisch nicht mit starker WW Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 27 / 39 Jet-Quenching dNAA /dpt Vergleich zu Proton-Proton-Stößen: RAA = Ncoll dNpp /dpt RAA < 1 für große pt : Jets durch Medium abgebremst [W. A. Horowitz, M. Gyulassy, arXiv:1107.2136v1 [hep-ph]] Energieverlust: elastische Streuung und Gluonabstrahlung (QCD) Dichte des Mediums > ρkrit ! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 28 / 39 Chirale Symmetrie qq-excitations of the QCD vacuum Energy (MeV) f1 (1420) a1 (1260) f1(1285) φ (1020) f0 (400- ρ (770) ω (782) 1200) P-S, V-A splitting in the physical vacuum −Im ΠV,A/(πs) [dim.−less] u- und d-Quarks leicht“: mu,d ' 5-10 MeV/c 2 . ” QCD näherungsweise symmetrisch unter chiraler Symmetrie (χS) hq̄qivac 6= 0 ⇒ χS spontan gebrochen Nambu-Goldstone-Theorem: ≈masselose (pseudo-)skalare Bosonen: mπ ' 140 MeV/c 2 mN ' 940 MeV/c 2 0.08 V [τ −> 2nπ ντ] A [τ −> (2n+1)π ντ] ρ(770) + cont. a1(1260) + cont. 0.06 0.04 0.02 π (140) 00 1 2 2 3 s [GeV ] data: ALEPH Collaboration Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 29 / 39 Woher kommt die Masse? Nukleonen (Protonen und Neutronen) bestehen aus up- und down-Quarks Nackte Masse“ (vom Higgs-Mechanismus) ” up-Quark: Ladung +2/3, Masse mu = 3 MeV/c 2 down-Quark: Ladung −1/3, Masse md = 6 MeV/c 2 Elektron: Ladung −1, Mass me = 0.5 MeV/c 2 ABER: Nukleonen-Masse mp ' mn ' 940 MeV/c 2 Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 30 / 39 Konstituentenquarks baryon Quarks innerhalb von Hadronen meson Wolke aus Gluonen Hadronen sind ausgedehnte Objekte Konstituentenquark Mcon ' 350 MeV/c 2 md = 6 MeV/c, mu = 3 MeV/c Woher kommt die Konstituentenquarkmasse? Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 31 / 39 Dynamische Erzeugung von Masse Starke Kraft bei kleinen Energien sehr stark ⇒ qq̄-Paare formen sich Paare sind Bosonen! ⇒ können alle im Vakuumzustand sein (Grundzustand niedrigster Energie) ungefähr 5 Paare pro fm3 (1 fm = 10−15 m!) Quarks werden massiv, weil sie sich in nichtleerem Vakuum befinden Wie können wir das überprüfen? Können wir das Vakuum verdampfen“? ” Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 32 / 39 Das ρ-Meson im Vakuum... Masse des ρ-Mesons: mρ = 770 MeV/c 2 mρ ≈ 2MKonsituentenquarks Lebensdauer ungefähr 1.3 fm/c = 3.3 · 10−24 sec Zerfällt im Inneren des Feuerballs! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 33 / 39 ...und im Medium Modifikation der Pionenwolke, baryonische/mesonische Anregungen [Chanfray et al, Herrmann et al, Ko et al, Rapp et al, Klingl et al, Post et al, Friman et al, . . .] B*, a1, K1,... π ρ ρ ρ π N, K, π,... SPS ρ(770) -8 -2 Im Dρ [GeV ] -Im Dρ (GeV-2) 7 vacuum T=120 MeV, ρB=0.1 ρ0 T=150 MeV, ρB=0.7 ρ0 T=175 MeV, ρB=2.6 ρ0 6 5 RHIC -10 9 8 ρ 4 3 2 -6 -4 vacuum T=120MeV,ρeff=0.21ρ0 ρ(770) T=150MeV,ρeff=0.41ρ0 T=180MeV,ρeff=0.68ρ0 q=0.3GeV -2 1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 M [GeV] M (GeV) Verbreiterung der Spektralfunktion; kleine Massenverschiebungen! Baryoneffekte wesentlich (ρB + ρB̄ , nicht ρB − ρB̄ , relevant!) verschiedene phänomenologische Modelle konsistent (γN, γA, πN → ρN) Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 34 / 39 Das ρ-Meson im Medium Wie messen wir die ρ-Masse im Inneren des Feuerballs? messe Pionenpaare aus Zerfall Energie-Impuls-Erhaltung ⇔ ρ-Masse ( E = mc 2“!) ” Pionen wechselwirken stark mit dem Medium ⇒ Signal wird zerstört! Lösung: selten zerfallen ρ’s in ein e + e − - oder µ+ µ− -Paar e ± und µ± sind Leptonen nur elektromagnetische und schwache Wechselwirkung verlassen Feuerball (nahezu) ungestört erhalte Masse des ρ-Mesons im Inneren des Feuerballs! Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 35 / 39 Was sagt die Theorie? ρ-Massenabnahme Quarkkondensat schmilzt, sonst passiert nicht viel mit dem ρ Rechnungen zu ρ-Mesonen im heißen Hdrongas ρ stößt sehr oft mit Teilchen im Medium ρ erhält sehr breites Massenspektrum ( schmelzendes ρ“) ” Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 36 / 39 Antwort NA60-Experiment vom SPS@CERN hochpräzise Messung von µ+ µ− -Paaren (“Dileptonen”) counts of µ+µ− pairs 2000 central In-In collisions NA60 Melting ρ vacuum ρ drop. mass 1500 “Melting ρ” favored compared to dropping ρ mass 1000 500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 M [GeV] 1.2 1.4 [HvH, R. Rapp, Phys. Rev. Lett. 97, 102301 (2006); Nucl. Phys. A 806, 339 (2008)] Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 37 / 39 Zusammenfassung Elementarteilchen und fundamentale Naturgesetze Naturgesetze ↔ Symmetrien ↔ Erhaltungssätze Atom → Kern → Nukleonen → Quarks (elementar!) Quarks immer in Hadronen (Baryonen und Mesonen) gebunden Starke Kraft ↔ QCD (basiert auf Farbsymmetrie!) Starke Kraft nimmt mit Stoßenergie ab (asymptotische Freiheit) Confinement durch QCD nur teilweise verstanden Relativistische Schwerionenstöße Erzeugung eines heißen dichten Quark-Gluon-Plasmas (QGP) Studium des QCD-Phasendiagramms (Deconfinement, Wiederherstellung der chiralen Symmetrie) Unterdrückung von Jets mit großem pT ⇒ ρ ρkrit schnelle Äquilibrierung ⇒ η/s ' 1/(4π) ⇒ nahezu ideales Fluid Kollektiver elliptischer Fluß (v2 ) skaliert mit Anzahl der Konstituentenquarks ⇒ Quarkrekombination Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 38 / 39 Zusammenfassung Woher kommen die Hadronenmassen? zusätzliche chirale Symmetrie im Vakuum spontan gebrochen ⇒ Massenunterschiede zwischen chiralen Partnern“ ” im Medium (QGP) chirale Symmetrie wiederhergestellt Massenspektrum der leichten Vektormesonen im Medium meßbar über Dileptonen-Massenspektren in Schwerionenstößen Massenverteilung der Hadronen werden im Medium sehr breit Gehen für T ' Tc in QGP-Massenverteilung über Hendrik van Hees (Goethe-Uni Frankfurt) Das QGP am LHC 23. November 2011 39 / 39