die Untersuchung des Quark-‐Gluon
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A Large Ion Collider Experiment QCD-­‐Materie unter extremen Bedingungen: die Untersuchung des Quark-­‐Gluon-­‐Plasmas mit dem ALICE-­‐Experiment PIzzA-­‐Night, 26. Januar 2015 Klaus Reygers, [email protected]­‐heidelberg.de Physikalisches InsQtut, Universität Heidelberg A Large Ion Collider Experiment Quantenchromodynamik (QCD) Quelle: h_p://de.wikipedia.org ■ QCD = fundamentale Theorie der starken Wechselwirkung ■ Elementare Teilchen der QCD: Quarks und Gluonen (= Teilchen mit „Farbladung“) Proton Neutron ■ In der Natur: keine freien Quarks, nur Teilchen mit Ne_o-­‐Farbladung null ("Hadronen") posiQves Pion Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 2 A Large Ion Collider Experiment Unsere Fragestellung (I) Was passiert, wenn man Kernmaterie ■ heißer und heißer macht? ■ immer weiter komprimiert? Verstehen wir die starke Wechselwirkung dann noch? Vorhersage der QCD: Es bildet sich eine Suppe aus freien Quarks und Gluonen, das Quark-­‐Gluon-­‐Plasma Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 3 A Large Ion Collider Experiment Kern-­‐Kern-­‐Kollisionen: „Mini-­‐Urknall im Labor“ Temperatur (Kelvin) ■ Übergang vom Quark-­‐Gluon-­‐Plasma zu einem Gas aus Hadronen bei ~ 1012 °C ■ 100 000 mal heißer als im Inneren der Sonne ■ Frühes Universum: QGP ⇾ Hadronengas einige Mikrosekunden nach dem Urknall Zeit nach dem Urknall (Sekunden) Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 4 5 A Large Ion Collider Experiment Unsere Fragestellung (II) ■ Teilchenphysik: RedukQonismus (BesQmme Eigenschamen der fundamentalen Teilchen, der Rest ergibt sich ...) ■ Es ist jedoch z.B. nicht einfach, die Eigenschamen von Wasser aus den bekannten Eigenschamen eines Wassermoleküls vorherzusagen source: de.wikipedia.org Temperatur? Viskosität? ■ Ultra-­‐relaQvisQsche Schwerionenphysik: Untersuchung der Eigenschamen des Quark-­‐Gluon-­‐Plasmas Quark-­‐Gluon-­‐Plasma „More is different“ Schallgeschwindigkeit? Philip W. Anderson, Science, 177, 1972, S. 393 Quelle: urqmd.org Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 6 A Large Ion Collider Experiment The ALICE experiment at the LHC Universität Heidelberg beteiligt an drei LHC-­‐Experimenten: ALICE, ATLAS, LHCb Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 7 A Large Ion Collider Experiment ReakQonssysteme am LHC Proton-­‐Proton-­‐Kollisionen: Higgs-­‐Physik, Suche nach SUSY-­‐Teilchen, … Für ALICE: Referenz für Pb-­‐Pb Blei-­‐Blei-­‐Kollisionen: Einige Wochen im Jahr, demnächst wieder im Herbst 2015 4000 GeV 4000 GeV Vergleich: Ruheenergie des Protons ist ca. 1 GeV (entsprechend E = m·∙c2) 1380 GeV/Nukleon 1380 GeV/Nukleon 1580 GeV/Nukleon Proton-­‐Blei-­‐Kollisionen: zum besseren Verständnis der Blei-­‐Blei-­‐Kollisionen 4000 GeV Ab Herbst 2015: Blei-­‐Strahl mit 2560 GeV/Nukleon Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 8 A Large Ion Collider Experiment ALICE Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 9 A Large Ion Collider Experiment ALICE ITS SSD ITS SDD ITS SPD FMD V0 and T0 (C side) EMCAL dipole magnet HMPID ZDC PMD TPC V0 and T0 (A side) ITS TOF TRD ZDC PHOS muon tracking (2.5 < η < 4) L3 magnet Hauptbeitrag der deutschen Gruppen: ■ ZeitprojekQonskammer (TPC) ■ Übergangsstrahlungsdetektor (TRD) ■ High-­‐Level-­‐Trigger Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 10 TPC und TRD ZeitprojekQonskammer (TPC) Einbau des ersten TRD-­‐Supermoduls (Oktober 2006), mi_lerweile komple_ 11 A Large Ion Collider Experiment FunkQonsprinzip einer ZeitprojekQonskammer (TPC) Quelle: h_p://www.lctpc.org/ Hohe Teilchendichten möglich + PID über dE/dx, aber vergleichsweise langsam Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 12 Ein Blick in das Innere der TPC 13 A Large Ion Collider Experiment Blei-­‐Blei-­‐Kollision 3000 Spuren geladener Teilchen in einer einzigen Kollision rekonstruiert mit der TPC Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 14 A Large Ion Collider Experiment Schwerpunkte in der Heidelberger Gruppe 1. Schwere Quarks (Charm, Bo_om) und Charmonium 2. Jets und Jet-­‐Quenching 3. Temperaturmessung über thermische Photonen Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 15 A Large Ion Collider Experiment Temperaturmessung über thermische Photonen Analogie: BesQmmung der Oberflächentemperatur der Sonne über Wellenlängenspektrum des Sonnenlichts („Planck-­‐Spektrum“) Quelle: h_p://en.wikipedia.org T = 5777 K Quelle: h_p://en.wikipedia.org Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 16 A Large Ion Collider Experiment Photon-­‐Messung über Konversion ~ 1950 heute e+ e+ ee- γ1 γ2 Photonkonversion Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 17 A Large Ion Collider Experiment 103 102 0-40% Pb-Pb, sNN = 2.76 TeV 10 T T d2N (GeV-2c2) 1 2π Nev. p dp dy 2. Temperaturmessung über thermische Photonen Direct photons Direct photon NLO for µ = 0.5,1.0,2.0 p (scaled pp) 1 T -1 10 Exponential fit: A × exp(-pT/T), T = 304 ± 51 MeV 10-2 10-3 Energiespektrum der Photonen erlaubt Rückschlüsse auf Temperatur des Quark-­‐Gluon-­‐Plasmas 10-4 10-5 10-6 10-7 0 2 4 6 8 ALI−PREL−27968 10 12 14 pT (GeV/c) TQGP ⪆ 3.5 × 1012 °C = 3.5 Billionen °C: Höchste Temperatur, die jemals in einem Labor erzeugt wurde! Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 18 A Large Ion Collider Experiment Themengebiete für Master und Bachelorarbeiten in der ALICE-­‐Gruppe ■ Hardware/Detektor-­‐Arbeiten ‣ Insbesondere im Bereich Übergangsstrahlungsdetektor ■ Datenanalyse ■ SimulaQonsstudien ■ Phänomenologische Arbeiten Betreuer/innen: u.a. Prof. Dr. Johanna Stachel, PD Dr. Klaus Reygers, PD Dr. Kai Schweda Arbeitsgruppe besteht insgesamt aus ca. 25 -­‐ 30 Wissenschamlern, Doktoranden, Master-­‐ und Bachelorstudenten Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 19 A Large Ion Collider Experiment Bachelorarbeit in der ALICE-­‐Gruppe ■ Spaß am Programmieren nöQg ■ Typischerweise einige Wochen ProjektprakQkum vor der Bachelorarbeit zur Einarbeitung ‣ C++, root, AliRoot u.s.w. ■ Arbeitsplatz meist zusammen in einem Büro mit anderen Bachelorstudenten/ innen, die an ähnlichen Themen arbeiten Themen so formuliert, dass … … sie auf die Interessen und Stärken abgesQmmt sind … den aktuellen Stand der Projekte berücksichQgen Am Einfachsten einen von uns ansprechen! Arbeiten der letzten Zeit: siehe h_p://www.physi.uni-­‐heidelberg.de/PublicaQons/ Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 20 A Large Ion Collider Experiment Weitere InformaQonsquellen ■ Quark-­‐Gluon-­‐Plasma-­‐Vorlesung (J. Stachel, K. Schweda, K. Reygers) ‣ SS 2013: h_p://www.physi.uni-­‐heidelberg.de/~reygers/lectures/2013/qgp/qgp_lecture_ss2013.html ‣ SS 2011: h_p://www.physi.uni-­‐heidelberg.de/~reygers/lectures/2011/qgp/qgp_lecture_ss2011.html ‣ und auch wieder im SS 2015 ■ Frank Wilczek, QCD made simple: h_p://www.frankwilczek.com/Wilczek_Easy_Pieces/298_QCD_Made_Simple.pdf ■ ALICE-­‐Experiment: h_p://aliceinfo.cern.ch/Public/Welcome.html Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 21 ALICE - Jetzt geht’s los ! 04 Sep 2011 Weltmaschine, Vielen Dank für dGSI ie ADarmstadt ufmerksamkeit! 24/24 22 Zusatzfolien 23 A Large Ion Collider Experiment Energieverlust hochenergeQscher Quarks und Gluonen im Quark-­‐Gluon-­‐Plasma (I) QGP q q q q Erwartung: Weniger Teilchen mit hohen Energien durch Energieverlust im Quark-­‐Gluon-­‐Plasma Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 24 A Large Ion Collider Experiment 1. Energieverlust hochenergeQscher Quarks und Gluonen im Quark-­‐Gluon-­‐Plasma (I) Anzahl geladener Teilchen in Pb+Pb-Kollisionen R= Erwartung bei unabhängiger Überlagerung einzelner Nukleon-Nukleon-Kollisionen 1.8 p-Pb 1.6 RpPb , RPbPb 1.4 kein Effekt: R = 1 ALICE, charged particles Pb-Pb Pb-Pb sNN = 5.02 TeV, NSD, | η | < 0.3 cms sNN = 2.76 TeV, 0-5% central, | η | < 0.8 sNN = 2.76 TeV, 70-80% central, | η | < 0.8 keine Unterdrückung in p+Pb 1.2 1 0.8 starke Unterdrückung in Pb+Pb (abhängig von der Zentralität) 0.6 0.4 0.2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Hinweis auf das Quark-­‐Gluon-­‐Plasma p (GeV/c) ALI−PUB−44351 T Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 25 A Large Ion Collider Experiment Eine Spezialität des ALICE-­‐Experiments: TeilchenidenQfizierung ToF Die Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas mit dem ALICE-Experiment | 26. Januar 2015 | Klaus Reygers 26
