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Charmonium als Sonde in
Schwerionenstößen
Vortrag im Rahmen des Seminars
Kern- und Teilchenphysik
WS 04/05
Vortragender: Markus Rammler
Datum: 21.12.04
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Motivation
Aus der Gittereichfeldtheorie:
Quarks eingeschlossen in
freie Quarks und Gluonen
farbneutrale Hadronen
im Quark-Gluonen-Plasma
Von Interesse zum Verständnis der QCD .
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Erzeugung eines Quark – Gluon - Plasmas durch
Schwerionenstöße.
Sonde muss in der frühen Phase der Kollision, vor
Bildung des QGP, erzeugt werden.
Nur so genügend Informationen über das System
1986: T. Matsui und H. Satz:
Die Erzeugung von J/y wird in einem QGP unterdrückt.
Dieses wird über seinen Zerfall in Myonen nachgewiesen.
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Einleitung
Theorie
Experiment
Ergebnisse
Zusammenfassung
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Theorie
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Quantenchromodynamik
Quark-Gluonen-Plasma ( QGP )
Erzeugung von Charmonium
Charmonium im QGP
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Quantenchromdynamik
Farbwechselwirkung:
Starke WW zwischen den Quarks durch die Farbladungen
der Quarks.
Quarks im Innern von Hadronen werden durch ständigen
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Gluonenaustausch aneinander gebunden.
Mit zunehmendem
Abstand bleibt die Kraft
zwischen den Quarks
konstant.
Confinement
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Quark-Gluonen-Plasma ( QGP )
Phasendiagramm stark
wechselwirkender Materie
raumzeitliche Entwicklung einer
Schwerionenkollision
RHIC
SPS
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Erzeugung von Charmonium
1.Erzeugung eines cc -Paares.
2.Farbneutralisation durch
Emission oder Absorption
eines Gluons.
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Charmonium im Quark-Gluon-Plasma
Potential im Vakuum:
V0 ( r )  
 (r )
r
 r
Potential im QGP:
•Farbladungen werden
abgeschirmt
•Confinement ist aufgehoben
V (r )  
 eff
r
e  r / rD
rD : screening length
Color-screening
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Aus Gitterrechnungen:
Das Potential in Abhängigkeit von der Entfernung
für verschiedene Temperaturen
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Befinden sich zwei Quarks
im Abstand r voneinander,
dann wird die Bindung
aufgehoben, wenn :
rD  r
Sind die Charm-Quarks und Charm-Antiquarks innerhalb des
QGP ungebunden, werden sie in der Hadronisierung mit den
häufiger vorkommenden u und d Quarks D-Mesonen bilden.
Die Bildung der J/y wird also in einem QGP unterdrückt !!!
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Experiment
• Historie
• Versuchsaufbau
Luftbild vom CERN:
Die Experimente wurden am SPS
( Superprotonen-Synchrotron ) durchgeführt.
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Historie:
Die bei der Untersuchung hochenergetischer
Schwerionenreaktionen eingesetzten Beschleuniger
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Versuchsaufbau
• Das Target
• Zentralitätsdetektoren
• Myonenspektrometer
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Das Target
Breites Target:
Erhöhung der Nukleon-Nukleon WW
7 dünne Subtargets:
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Zentralität
- Ist ein Maß für die Energiedichte
Zentralität ist definiert durch
den Stoßparameter b.
Dieser ist nicht direkt
bestimmbar.
3 Detektoren zur Zentralitätsbestimmung:
1.) Elektromagnetischer Kalorimeter ( EC )
Bestimmung der ( neutralen )
transversalen Energie ET
0  
Je größer ET ,desto zentraler
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2.) Multiplizitätsdetektor ( MD )
Zählt die Anzahl und die Winkelverteilung der geladenen
Sekundärteilchen die in den Subtargets erzeugt werden.
3.) Zero-Degree-Calorimeter ( ZDC )
Misst die Energie EZDC, der
Zuschauerpartikel, die
nicht an der Reaktion
teilnehmen.
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Das Myonen - Spektrometer
Hadronen – Absorber:
•Stoppen der Teilchen, die auch in der
Kollision Erzeugt werden, bevor sie in
Myonen zerfallen.
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Torus-Magnet
B0
B (r )  e
r
Multi-Wire-Spurenkammern
zur Rekonstruktion
der Myonenbahnen
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Bestimmung des Ablenkwinkels im Magnetfeld führt zu pT:
Daraus lässt sich über pT der Gesamtimpuls p bestimmen:
pT  p  sin()
Die invariante Masse läßt sich nun leicht berechnen ( mit c = 1 ):
m E p
2
2
2
 ( E12  E22 ) 2  ( p12  p22 ) 2
 m  m  2 E1 E2  2 p1 p2 cos( )
2
1
2
2
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Ergebnisse:
• Beiträge zum Dimyonenspektrum
• Normale Absorption
• Anormale Absorption
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Beiträge zum Dimyonenspektrum
•Der Drell-Yan-Prozess:
Ein Valenzquark eines Nukleons
wechselwirkt mit einem Seequark
eines anderen Nukleons.
• Zerfall der J/y und y-Resonanz
• Zerfälle der D Mesonen
z.B.:
0
D   K 


D     K 0 
• Kombinatorischer Untergrund
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Das Dimyonenspektrum
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Normale Absorption:
•Nukleare Absorption:
Der vorresonante Zustand kann erst nach einer Zeit
von 0,3fm in ein vollständiges J/y umgewandelt
werden und somit von einem Nukleon absorbiert
werden.
•Absorption durch hadronische Comovers:
Beide Effekte führen zur Unterdrückung des Charmoniums!
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Wirkungsquerschnitt Drell-Yan:
Wirkungsquerschnitt der
J/y Erzeugung bei
nuklearer Absorption:
Drell-Yan als Referenz:
Die J/y-Unterdrückung wird gut durch die
normale Absorption beschrieben.
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Anormale Absorption:
Vergleich der J/yAusbeute unterschiedlicher
Strahlen-Target Kombination
Der Pb-Pb Punkt liegt deutlich unter dem Fit.
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J/y-Unterdrückung als Funktion der Zentralität 1:
Die Wirkungsquerschnitte im Bereich von p-p bis zu den
peripheren Pb-Pb-Kollisionen können mit der normalen
Absorptions erklärt werden.
Deutliche Abweichungen bei den zentralen Pb-Pb-Kollisionen
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J/y-Unterdrückung als Funktion der Zentralität 2
Durchgezogene Linie steht für die Absorption.
Deutliche Abweichung von der Absorption je zentraler der
Stoß.
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Zusammenfassung
•Erwartung der J/y-Unterdrückung in einem QGP
•Außerdem J/y Unterdrückung durch Absorption
•J/y Unterdrückung bei p-p, p-d, p-A Kolliosionen und bei
Kollisionen der leichten Ionen kann durch Absorption
erklärt werden.
•Deutliche Abweichung der J/y Untedrückung von der
normalen Absorption bei zentralen Pb-Pb Stößen.
Hinweise auf einen neuen Materiezustand( QGP )?
Erforschung am RHIC und in Zukunft am LHC unter
Besseren Bedingungen sind wohl notwendig.
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“A New State of Matter
Created at CERN”
“... compelling evidence for the existence of a new state
of matter in which quarks, instead of being bound up into
more complex particles such as protons and neutrons,
are liberated to roam freely.”
CERN press release,
February 10th, 2000
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Literatur
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Wong: Introduktion to High-Energy Heavy-Ionen Collisions (S.344381,292-341,155-174)
Experiments NA38 / NA 50 ( Zusammenfassung )
NA 50 Collaboration Abstract
T.Matsui und H.Satz: Abstract June 1986
Jean Paul Blaizot, Jean-Yves Ollitrault: Abstract (Hwa, QGP)
Helmut Satz: Contents ( Hwa, QGP )
L. Kluberg: NA 50 Proposal
Wenner Büsching: Doktorarbeit ( S. 7-15)
ResultsOfTheNA50ExperimentWithTheCERNSPSHeavyIonBeam
LookingForQuarkGluonPlasmaInPbPbCollisionsAt158Gev
L.Kluberg: 20 years J/y Suppresion at the CERN SPS, Results
F. Karsch: Deconfinment and Quarkonium suppression
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