wyklad I - "Przekroje czynne"

Oddziaływania relatywistycznych
jąder atomowych
Od promieni kosmicznych do LHC
• Trochę historii
• Przekroje czynne
• Krotności
• Hiperjadra
• Akceleratory
• Cząstki dziwne
• Korelacje HBT
• Efekty kolektywne
• Plazma kwarkowo gluonowa
• RHIC & LHC
Krótka historia
• Do lat 70-tych – głównie promieniowanie kosmiczne
i emulsje jądrowe
• Koniec lat 70-tych – LBL i Dubna (~2 i ~4 GeV/A)
detektory – komora pęcherzykowa, komora
streamerowa, emulsja, scyntylatory, komory drutowe
• 1985 – CERN, jądra 16O i S, 60 i 200 GeV/A
• Druga połowa lat 80-tych – BNL (AGS), ~12 GeV/A
• 1994 CERN, 208Pb, 160 GeV/A
• RHIC, 1997 (BNL) 197Au, 100 GeV/A
• LHC, 2007 (CERN) 2.75 TeV/A
Akceleratory
Bevalac (LBL)
S  2.8
BNL (Brookhaven)
S  5.5 AGS
S  200 RHIC
CERN
S  20
GSI
SPS
S  5500 LHC
S 2
Dubna
S  3.2
Początki – ponad 50 lat temu – promieniowanie
kosmiczne
Skład chemiczny pierwotnego
promieniowania kosmicznego
knee
ankle
Widmo energetyczne
pierwotnego promieniowania
kosmicznego
LHC
Naświetlanie emulsji jądrowej
Eksperyment JACEE
Cząstka pierwotna
Fragmenty jądra tarczy
p+A
75% p+ Ag,Br
21% p+ C,N,O
4% p+H
Cząstki wyprodukowane
I/I0 ~ Z2
Ślady ciężkich jonów zarejestrowane w emulsji jądrowej
C+Ta, C3H8, 4.2 GeV/A
Dubna, kom. pęcherzykowa
S+S, 200 GeV/A
CERN, kom. streamerowa
Przekroje czynne jądrowe

geom
   (R  R )
p
2
t
RrA
Przekrój geometryczny:
1/ 3
0

 r  ( A  A )
2
geom
0
1/ 3
1/ 3
p
t
2
Wzór fenomenologiczny (Bradt & Peters, 1950):
  r  ( A  A  b)
2
0
1/ 3
1/ 3
p
t
Wzór ulepszony (Vary):
2
b maleje ze wzrostem mas jąder
geom
  r  ( A  A  b  ( A  A ))
2
0
1/ 3
1/ 3
p
t
r  1.36 fm, b  1.11
0
0
Bevalac
0
1/ 3
1/ 3
p
t
2
r  1.30 fm, b  0.93
0
0
Dubna
Dane z Dubnej i LBL,
kilka GeV/nukleon
  r  ( A  A  b  ( A  A ))
2
0
1/ 3
1/ 3
p
t
0
1 / 3
1 / 3
p
p
A A
  r  (1  b
)
A A
A A

1/ 2
1/ 3
1/ 3
p
t
0
0
1 / 3
1 / 3
p
t
1/ 3
1/ 3
p
t
2
Dane z SPS,
0.96 i 3.2 TeV 16O
Parametry r0 i b0 wzięte z niskich energii
Anomalony
Pierwsze doniesienia o nietypowym zachowaniu się przekroju
czynnego – dane z emulsji jądrowych (Judek, Friedlender 1979)
N Ne , 
l / 
0
1

in
Czy jądro po
Średnia droga
„urodzeniu”
jest
swobodna krótsza
spuchnięte???
blisko punktu emisji
wtórnego jądra
X
Ewidencja „za” (Dubna)
Wodorowa komora pęcherzykowa,
Z=2, E=13.5 i E=8.6 GeV/c
Średnia droga swobodna w zależności
od odległości od miejsca emisji jądra
Ewidencja „przeciw”
(Dubna)
Emulsja jądrowa,
2<Z<11, 4.2 GeV/c/A
Średnia droga swobodna w zależności
od odległości od miejsca emisji jądra
Procesy fragmentacji jader
Fragmentacja jadrowa
Proces peryferyczy – mały parametr zderzenia
Najprostszy model (H. Feshbach 1973, A.S. Goldhaber 1974):
rozpad wzbudzonego jądra.
Rozkład pędów fragmentów w układzie własnym jądra
Gauss,
 P
2
1/ 2
t
2 GeV/n (LBL)  = 137±2 MeV/c
200 GeV/n (CER)  = 144±6 MeV/c
Powyżej ok. 1 GeV/n proces fragmentacji jądrowej nie zależy
od energii!
Dysocjacja elektromagnetyczna
Proces poza zasięgiem sił jądrowych: b > R1 + R2
Przekrój czynny rośnie z energią!
Dla energii SPS:
 
ED
Z

q
2
4
NF
Dla zderzeń cięzkich układów (S+Pb, Pb+Pb)
 
ED
Geom
Przy energiach RHIC i LHC dysocjacja elektromagnetyczna
jest procesem o największym przekroju czynnym!
Opis teoretyczny
Weizsäcker – Williams (1934)
Oddziaływanie cząstka – układ S
↨
oddziaływanie promieniowana elm. (wirtualne fotony) – układ S
S
S
E
r
Q
v
E1
b
Q
v
E2
Qvt
E ( t , b)  
(b   v t )
Qb
E ( t , b) 
(b   v t )
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3/ 2
3/ 2
W-W  zastąpić E1,2 odpowiednimi impulsami promieniowania
i rozważać oddziaływanie układu S z tym promieniowaniem
dI ( , b) c

E ( , b)
d
2
1

E ( , b) 
E
(
t
,
b
)
e
dt

2
2
1, 2
Widmo częstości:
1, 2


Całkujemy po parametrze zderzenia:
dI ( )
dI ( , b) dI ( , b)
 2  (

)bdb
d
d
d

1
2
bmin
dI ( ) Z

(...
d
E
2
i t
Energia w MeV
Widmo wirtualnych fotonów dla tarczy uranowej; a,b,c,d – różne
warianty teorii (ładunki punktowe, rozciągłe, multipolowości)
Energie SPS – widmo
virtualnych fotonów sięga
4 GeV
O U O  X
18
1.7 Gev/n
17
139
La  Au Au  X
197
1.26 GeV/n
196
 N 
ED


LBL – Bevalac
Odszczepienie 1 neutronu
Odszczepienie 2 neutronów
Linia ciągła – Au, przerywana - Pb
Izotop
tot(b)
nuc(b)
ED(b)
196Au
26.7±4.0
0.3±0.1
26.4±4.0
195Au
4.7±0.7
0.13±0.04
4.6±0.7
Dlaczego jest to interesujące?
• Problem techniczny – przyspieszane jądra mają duże ładunki
- dysocjacja „niszczy” wiazkę
• RHIC i LHC – pole dla fizyki foton-foton
LHC – σED sięga kilkuset barnów
Mechanizm wielorodnej produkcji
cząstek
Czy produkcja kaskadowa?
Nie! Znacznie niższe krotności
Próby rozwiązania problemu – strefa formacji (Białas),
modele kolektywne (Daar)
Model zranionych nukleonów
(Białas, Błeszynski, Czyż)
<NAB> ~ 1/2 <Npart>
<NAB> = 1/2 Npp <Npart>
Niekoherentna superpozycja
oddziaływań nukleon-nukleon
N 
1
N 
2
AB
part
Npp
<Npart>
dNch/dη
Rozkłady kątowe – graniczna
fragmentacja
p-Emulsja
200 GeV/n
η
EP
y  0.5  ln
EP
L
L
Dla dużych pędów η ≈ y

   ln tan

2