Embed Size (px)
Citation preview
Fizyka hadronowa• Fizyka układów złożonych
oddziałujących silnie!
(dla których nie działa rachunek zaburzeń)
Podstawowe pytania:
• Mechanizm generacji masy i
uwięzienia związany z naturą
oddziaływań silnych (QCD)
• Widmo stanów związanych
• Struktura hadronów :
Partonowe, mezonowe stopnie swobody?
• Diagram fazowy materii jądrowej –
przejścia fazowe (zniesienie
uwięzienia?)
Fizyka hadronów- nasze eksperymenty
1 fm
rN
Struktura hadronuDiagram fazowy materii hadronowej
Quark-Gluon Plasma
Materia Jądrowa
Gęstość (Kg/m3)
1x1012
2x1012
3x1012
4x1012
3x1012
00 1 x 1018 2 x 1018
Tem
pera
tura
[K]
Jądro atom.
gwiazdy neutronowe
trajektoria reakcji
• Badanie widm stanów związanych –spektroskopia hadronów –eksperyment PANDA (www-panda.gsi.de)
• Badanie struktury hadronów oraz własności materii jądrowej w funkcji gęstości itemperatury poprzez pomiar promieniowania elektromagnetycznego γ* (e+e-)eksperyment HADES (www-hades.gsi.de)
Stany związane
Mechanizmy generacji masy• masy ("current") generowane przez oddziaływanie z polem Higgsa – ważne dla kwarków
ciężkich (c,t,b)
• massy kwarków lekkich (u,d) ("constituent") generowane przez oddziaływanie silne-
oddziałujące gluony→ Złamanie Symetrii Chiralnej QCD (zachowanie skrętności
bezmasowych kwarków przez oddziaływanie silne) →pojawianie się kondensatów
kwarkowych ≠ 0 → generacja mas lekkich hadronów
Kwark w nukleonie jest „permanentnie”
otoczony oddziaływującymi gluonami-
”ubrany” przez oddziaływanie
Jego masy jest wielkością efektywną !
i zależną od otoczającego systemu !
p
nukleon
Stopnie swobody: kwarkowe, mezonowe?Pomiar funkcji struktury hadronów w procesach elektromagnetycznych
N*→Ne+e-
Komplementarne obszary kinematyczne: anihilacja i rozpraszanie (czaso- i przestrzenno-podobny)
• W obszarach małego przekazu czteropędu (Q 2 ) foton „widzi” chmurę mezonową otaczającą
rdzeń kwarkowy (mezony wektorowe 1- )
• W obszarze dużych |Q| 2 (>5-8) widzimy składowe rdzenia- partony
e+
e-
q2 >0
N
N
N* N
N N (N*)
s ≥ sQCD ~(1.5GeV)2 : pQCD continuum
s < sQCD : widma mezonów – Av (ρ,ω,ρ’..)=R
)(Im2
,,
2
sAgm
VV
V∑
φωρ
∑
++
sdu
Sqc
seN,,
2 )(1)( π
α
R= σ(e+e-→ hadrony)/ σ(e+e-→µ+µ-)
Przykład I: anihilacja pozyton-elektron w hadrony
Przykład II: rozpady rezonansów barionowychR= (∆, N*)→N e+e- „rozpady Dalitza”
e+
n
e--
γ*π-
p
R
q2 > 0 γ∗ e+
e-ρ, ω,φ
R N
Vector Meson (ρ,ω,φ) Dominance
HADES: pomiarπ- p →n e+e-
Przewidywania dla rozpadu: rola mezonów
Me+e- [GeV/c2 ]
HADES: √s = 1.5 GeV
Stany związane w QCD
Model Kwarkowy:P = - (-1)L
C = (-1)L+S
S1S2L
JPC = 0–+ 0++ 1– – 1+ – 2++ …
JPC = 0– – 0+ – 1– + 2+ – …
OK
Jak je rozpoznać? Liczby kwantowe !:
Czy takie stany istnieją?
Mezony (q q), bariony qq. Stany egzotyczne (spoza modelu kwarkowego)?
Przykład : mezony
Przewidywania Modelu kwarkowego vs. eksperyment : przykład I Hiperony
Ξ∗ : 1 ∗∗∗∗
Znane tylko 3 stany …Podobne sytuacja dla stanów z s=-3 konieczne nowe dane - PANDA
Hiperony (bariony z dziwnością S= - 2)
Przykład II: Mezony z kwarkami powabnymi- czarmonium
• Obserwujemy więcej stanów
niż model kwarkowy
przewiduje…
• Masy niektórych stanów są
różne od przewidywań
teoretycznych
• Kwarki c są ciężkie . Opis
teoretyczny jest prostszy –
tym bardziej istotne są
niezgodności !
Granice egzystencji hadronów w materii jądrowej
Diagram fazowy materii jądrowej
Obszar badań eksperymentu HADESB
• T>Tc (przejście fazowe) → 0Odtworzenie symterii chiralnej • maleje z gęstością• Jak zmiana wpływa na masyhadronów – malenie masy lub zwiększenie szerokości rozpadu
Pomiar masy mezonu ρ w materii jądrowej
e+
2sinppm ee
eeee−+
−+−+
ϑ=
e-ρ
• Metoda eksperymentalna pomiar masy
w medium przy pomocy
nieoddziałyjących z medium par e+e-
Mezon Masa[MeV/c2]
Szerokość Γ[MeV/c2]
Czas życiacτ [fm/c] = hc/Γ
BR(V→e+e-)
ρ0 770 150 1.3 4.4x10-5
Eksperyment Na60 @ SPS 158 AGeV
Znaczne zwiększenie szerokości mezonu w materii
Szerokość naturaln
dane
T≥150 MeV
Eksperyment HADES p+A @ 3.5 GeV
• Produkcja mezonu ρ
„zimnej” materii jądrowej
• Znacznie mniejsza
energia reakcji
• Bardzo duża zmian
kształtu funkcji rozkładu
masy mezonu
Inny mechanizm?
GSI-FAIR (> 2018)SIS 100
Au do 8-10 GeV/u 1012 ions/sprotony do 30 GeV 2.8x1013/s
2T (4T/s) magnets
Wiązki wtórne
Wiązki radioaktywne do 1.5 GeV/uAntyprotony do 30 GeV
Pierścienie akumulacyjne
HESR: Antyprotony 1.5- 15 GeV
HADES
PANDA
SIS 18
U73+ 1.0 GeV/u 109 ions/sNi26+ 2.0 GeV/u 1010
protony 4.5 GeV 2.8x1013/spiony ! 0.5-2 GeV/c
18Tm (1.8 T magnets)
GSI (20 km na południe od Frankfurtu n. Menem) - Obecnie
Eksperyment PANDA(antiProton Annihilations at Darmstadt)
od 2018
www-panda.gsi.de
Eksperyment HADESHigh Acceptance DiElectron Spectrometer … w GSI od 2002
www-hades.gsi.de>400 naukowców >100 naukowców
Bardzo istotny wkład grup krakowskich !!!
kontakt : piotr,[email protected] [email protected]@uj.edu.pl
Instrumentarium w eksperymentach fizyki hadronowejPrzykład: Stacje detektorów słomkowych do pomiaru pozycji śladów (precyzja około 150µm) dla eksperymentu PANDA
• Instrumentarium : przykład: układy FPGAPłyta Trigger Read-out Board oparta na programowalnych układach FPGA(Kraków- GSI)
• Ekstrakcja cech sygnału analogowego
poprzez analizę cyfrową (amplituda
sygnału, czas względem referencji (20 ps)
• Algorytmy do wyszukiwania określonych
wzorców w zdarzeniach w czasie
rzeczywistym (np. rekonstrukcja śladów
cząstek w detektorze słomkowym)
• Transmisja danych oparta na standardzie
GbEthernet
• Konfigurowalne układy akwizycji do różnej
skali eksperymentów
Tematy prac magisterskich i licencjackich1. Symulacje dla przyszłego eksperymentów HADES oraz PANDA w
ośrodku FAIR w GSI Darmstadt (opiekun P. Salabura)Produkcja i rozpady elektromagnetyczne barionów w reakcjach proton-proton (HADES) lub proton-antyproton (PANDA)
Rekonstrukcja rozpadów Hiperonów przy pomocy detektora do przodu w eksperymencie HADES
Symulacje Monte Carlo oparte na generatorach zdarzeń w środowisku ROOT/GEANT bazującym na języku C++. Celem jest określenie koniecznej statystyki do przeprowadzenia planowanych eksperymentów oraz zapoznanie się z fizyką planowanych eksperymentów
2. Badanie produkcji par dielektronowych i pionowych w reakcjach pion-nukleon (opiekun P. Salabura)
Porównanie wyników eksperymentu HADES do przewidywań różnych modeli teoretycznych opisujących produkcję par e+e- w reakcjach pion-nukleon
Porównanie uzyskanych różniczkowych przekrojów czynnych do przewidywań modelowych . Analiza danych + symulacje Monte Carlo . Praca w środowisku ROOT (język C++. Zapoznanie się z podstawami spektroskopii barionów i metodami analizy opartymi na rozkładzie na fale parcjalne
Tematy prac magisterskich i licencjackich
3. System odczytu i rekonstrukjci zderzeń w detektorach słomkowych dla spektrometrów HADES/PANDA
Testy detektorów słomkowych, elektroniki odczytu przy użyciu źródeł oraz promieniowania kosmicznego (opiekun P.Salabura/dr. G. Korcyl)
Testy zbudowanej elektroniki analogowej i cyfrowej (opartej o układy FPGA) do pomiaru czasu dryfu. Pomiary paramterów impulsów, zdolności rozdzielczych. Stworzenie automatycznych procedur ewaluacji parametrów elektroniki
Rozwój anlgorytmów rekonstrukjci torów w czasie rzeczywistym lub "off-line" dla detektora słomkowego (opiekun P.Salabura/dr. G. Korcyl)
Rozwój i ulepszenie istniejącego algorytmu do rekonstrukcji torów w oparciu o zmierzone czasy dryfu . Weryfikacje w operciu o wybrane reakcje produkjci or rozpadu cząstek w eksperymentach HADES/PANDA
Detektor słomkowy do eksperymentu HADES (opiekun J. Smyrski)
Praca obejmuje udział w budowie detektora, jego instalacji w eksperymencie HADES oraz analizie danych z jego testów. Student będzie miał możliwość zapoznania się fizyką i szczegółami technicznymi detektorów gazowych, a także nowoczesną elektroniką do ich odczytu, z dużym układem detekcyjnym (HADES) oraz z analizą danych z detektorów słomkowych (środowisko Root).
3. Testy systemu odczytu detektorów słomkowych dla spektrometrów HADES/PANDA (opiekun J. Smyrski)
Skaner do sprawdzania geometrii detektorów słomkowych
W ramach pracy uruchomiony zostanie skaner o polu przesuwu 200 cm x 120 cm, wykorzystujący skolimowaną wiązkę promieni X do precyzyjnych pomiarów pozycji drutów czułych oraz katod w gazowych detektorach słomkowych. W skanerze zastosowano innowacyjne rozwiązania związane z wykorzystaniem miniaturowego generatora promieni X. Student będzie miał możliwość zapoznania się z fizyką detektorów gazowych, z analizą danych przy pomocy oprogramowania Root, a także ze sterowaniem skanera (silniki krokowe, źródło X-ów) przy pomocy płytki BeagleBone Black (C++, Python, Assembler).
Budowa prototypu paskowego detektora scyntylacyjnego odczytywanego przez fotopowielacze krzemowe
Zbudowany zostanie prototyp detektora scyntylacyjnego do pomiaru czasu przelotu w eksperymencie PANDA, charakteryzujący się małą masą oraz możliwością pracy w silnych polach magnetycznych, dzięki zastosowaniu fotopowielaczy krzemowych. Temat idealny dla osób lubiących samodzielnie eksperymentować, gdyż cały projekt obejmujący montaż detektora, podłączenie elektroniki odczytu, oprogramowanie elektroniki odczytu, testy i analiza danych może być wykonana przez studenta.
Tematy prac magisterskich i licencjackich
