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F. Becattini Giornata di studio in onore di A. Cartacci Firenze, 3 Luglio 2002 La Termodinamica nelle Interazioni Forti un (parziale) punto di vista fenomenologico Sommario: " Introduzione " Modello statistico e collisioni elementari " Modello statistico e collisioni di ioni pesanti - Aumento di produzione di stranezza " Prospettiva

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F. BecattiniGiornata di studio in onore di A. Cartacci

Firenze, 3 Luglio 2002

La Termodinamica nelle Interazioni Forti

un (parziale) punto di vista fenomenologico

Sommario:

" Introduzione

" Modello statistico e collisioni elementari

" Modello statistico e collisioni di ioni pesanti - Aumento di produzione di stranezza

" Prospettiva

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Modelli statistici-termodinamici:

spiegazione della produzione multipla di particelle nelle collisioni adroniche di energia nel centro di massa ~ 1 - 10 GeV

Koppe, Fermi '50s

Hagedorn '60s p p

Ciascun stato multiadronico del cluster (fireball) compatibile con le leggi di conservazione è ugualmente

probabile

|k> stato multiadronico permesso |i> stato iniziale del cluster

Hagedorn (Statistical Bootstrap Model) previde anche l'esistenza di una temperatura limite universale legata alla particolare forma dello spettro di massa adronico

T 0

~ 160 MeV

f T i2

T =C∑k

k> <k

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Problemi:

poche evidenze sperimentali (spettro esponenziale pT)

difficolta' nell'effettuare i calcoli numerici su sistemi di interesse (~ 10 particelle)

. . . . . . .

L'interesse per questo tipo di approccio e' diminuito considerevolmente a partire dagli anni '70 dopo l'apparizione del nuovo paradigma delle interazioni forti, la QCD.

Malgrado i suoi molti successi, in QCD non si riesce tuttora a calcolare grandezze di interesse nei processi di collisione di alta energia, quando entrano in gioco scale di distanza 'grandi' ( ~ 1fm) o di energia 'bassa' (~ 1 GeV)

Molteplicita' delle varie specie adroniche (inclusive e esclusive)

Correlazioni globali e locali tra particelle

Correlazioni di Bose-Einstein

...

MODELLI DI ADRONIZZAZIONE

Cercano di calcolare ciò che non si riesce a fare con la QCD

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Larga applicazione in implementazioni codici MonteCarlo per gli esperimenti e+e- e pp di alta

energia negli anni '80 e '90

MODELLO A STRINGA (Anderson, Sjostrand et al.)

Tra quarks e gluoni esiste un tubo di flusso di colore (stringa) nel quale si immagazzina rapidamente energia potenziale (tensione ~ 1 GeV/fm) fino alla rottura con la creazione ai capi di 2 nuovi quarks.

Gli adroni si formano a partire dai quarks con il vincolo di neutralita' di colore

MODELLO A CLUSTER (Marchesini, Webber et al.)

I quarks finali vengono messi insieme in oggetti massivi preadronici secondo il vincolo della neutralita' di colore (preconfinamento). Questi vengono fatti decadere in due adroni secondo lo spazio dello fasi relativistico d3p/2E

MOLTI PARAMETRI DA FISSARE !

L'uso dell'approccio statistico e' continuato in modo sotterraneo in applicazioni particolari come per esempio

l'annichilazione pp a riposo sulla quale c'e' una vasta letteratura

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Gionata in onore di Anna Cartacci

Previsione di QCD: a T alta quarks e gluoni diventano particelle debolmente interagenti (deconfinamento)

COLLISIONI DI IONI PESANTI DI ENERGIA ELEVATA

Zona centrale grande (molti adroni di diametro), molto densa e calda

QGP e' un transiente: problema delle segnature

Possibile osservazione di radiazione adronica da una o piu' sorgenti termalizzate all'equilibrio

T

µB

Quark Gluon Plasma

Gas adronico

Tc~ 150−170 MeV

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Giornata in onore di Anna Cartacci Statistical QCD 2001, hep-ph 0206203

Molteplicita' adroniche in accordo con ansatz statistico-termodinamico per molte collisioni 'elementari' su un vasto range di

energie:

F. B. Z. Phys. C 69 (1996) 485 e tesi di Dottorato F. B. in Erice 1996 hep-ph 9701275

F. B., U. Heinz, Z. Phys. C 76 (1997) 269

Le molteplicita' sono riprodotte con solo 3 parametri liberi: T,V, γS

10-3

10-2

10-1

1

10

10-3

10-2

10-1

1 10Multiplicity (therm. model)

Mul

tiplic

ity (

data

)

e+e- √ s = 91.2 GeV

T=159.3±0.8 MeV

VT3=27.54±0.87γs=0.664±0.014

χ2=118.1/24 dof

π0π+

ρ0,+ωηK0K+

pK*0K*+

Λφ

η’f2

∆++

Σ+,0,-

a0K2

*0

Σ*+-

f2’

Ξ-Λ(1520)

Ξ*0

Ω

π0 π+ K+K0η ρ+ ρ0 ω K*+K*0p η, a0 φ Λ Σ+ Σ0 Σ- ∆++f2 Ξ- Σ*+-K2*0Λ* f2’Ξ*0Ω

Num

ber

of S

t.Dev

.

-5

0

5

0 10

nj=

2Jj+1 V

2π 3γ

S∫ d3 p exp B p2+mj

2 ⁄TZ QBq

j

Z Q

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Giornata in onore di Anna Cartacci

PREVISIONI SULLA PRODUZIONE DI ADRONI CON QUARKS PESANTI

J. Phys. G 23 (1997) 1933

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Giornata in onore di Anna Cartacci

DELPHI collaboration, Z. Phys. C 73 (1996) 11

JETSET (modello a stringa)

HERWIG (modello a cluster)

Nel modello a stringa versione originale non e' prevista una dipendenza della molteplicita' dalla massa dell'adrone

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Giornata di studio in onore di Anna Cartacci

Il modello di adronizzazione statistico nelle collisioni di alta energia

Ogni cluster, singoletto di colore, e' caratterizzato da un volume V, un quadrimpulso P e un insieme di cariche (elettrica, stranezza ecc.) Q = (Q

1,...,Q

n) che sono 'ereditati' dalla dinamica precedente

Ogni cluster produce adroni secondo il postulato fondamentale della Meccanica Statistica: ogni stato compatibile con le leggi di conservazione e' equiprobabile

- Universalita' del processo di adronizzazione

- Modello statistico NON IMPLICA termalizzazione per collisioni inelastiche adroniche nello stato finale. Gli adroni 'nascono' in uno stato di equilibrio statistico (R. Hagedorn, 1970)

- Si ritrovano le formule a 3 parametri con un solo volume per le molteplicita' solo se si introducono opportune condizioni aggiuntive per le fluttuazioni delle cariche dei clusters

- La temperatura puo' essere introdotta se il sistema complessivo e' sufficientemente grande (da insieme microcanonico a canonico)

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Temperature fittate in collisioni elementari

Thad

± 160 MeV ad alta energia

Statistical QCD 2001, hep-ph 0206203

E' stata avanzata l'ipotesi che questa sia proprio la temperatura critica della QCD, ovvero che il processo di adronizzazione sia un fenomeno critico (F. B., U. Heinz, R. Stock)

√ s (GeV)

Tem

pera

ture

(M

eV)

K+p collisionsπ+p collisionspp collisionspp

– collisions

e+e- collisions

100

120

140

160

180

200

220

240

10 102

103

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Giornata in onore di Anna Cartacci

F. B., U. Heinz, Z. Phys. C 76 (1996) 269

Conteggio sugli adroni primari delle coppie prodotte dal vuoto

Statistical QCD 2001, hep-ph 0206203

Soppressione di stranezza e λS

√ s (GeV)

γ s

pp-pp– collisions

e+e- collisions

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

102

103

√ s (GeV)

λ S

K+p collisionsπ+p collisionspp collisionspp

– collisions

e+e- collisions0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

10 102

103

λS=

2 s s

u u + d d

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Un test sperimentale per discriminare tra modello a stringa e modello statistico: Ω+/Ω− in collisioni pp a

energie intermedie (10-30 GeV)M. Bleicher et al., Phys. Rev. Lett. 88 (2002) 202501

A causa del particolare contenuto in quarks della Ω, modello statistico e stringa danno previsioni opposte, per qualunque valore dei parametri

q

q

qq

q

q

q

q

s

ss

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s

s s q

K K B

Y

a)

b)

c)

0 5 10 15 20String mass (GeV)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

+/

-

0 2000 4000 6000 8000 10000

Volume (GeV-3)

T=190MeVT=180MeVT=170MeVT=160MeV

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Giornata in onore di Anna Cartacci

L'analisi degli spettri di pT in collisioni adroniche ha confermato la

consistenza dello schema

F.B., G. Passaleva, Eur. Phys. J. C 23 (2002) 551

10-3

10-2

10-1

1

10

10 2

10 3

0 1 2 3 4 5 6pT

2 (GeV2)

dσ/d

p T2

(mb/

GeV

2 )

π+pp √s = 27.4 GeVT = 161.0 MeVu– = 0.214

χ2/dof = 37.5/38

Num

ber

of s

t. de

v.

-4

-2

0

2

4

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Modello statistico e collisioni di ioni pesanti

Lo schema fisico a clusters e' lo stesso delle collisioni elementari ma...

Termalizzazione di quarks e gluoni su un grande (molti adroni) volume nella prima della fase dell'evoluzione, ben prima dell'adronizzazione, con deconfinamento vero e proprio del colore

A seconda della velocita' di espansione della materia adronica gia' formata, ci puo' essere una fase di re-scattering adronico sia inelastico che elastico

Il modello statistico-termodinamico, in varie versioni, ha avuto larga applicazione a partire dai primi anni '90 nell'analisi delle molteplicita' e degli spettri di p

T per determinare i parametri

della sorgente:

Au+Au, Ni+Ni GSI p = 1.7 A GeV/c

Si+Au, Au+Au AGS p = 11.6 - 14.6 A GeV/c

S+S, S+Ag, Pb+Pb SPS p = 40 - 200 A GeV/c

Au+Au RHIC sNN

= 130 - 200 GeV

Pb+Pb LHC sNN

~ 10 TeV

Le conclusioni sono abbastanza in accordo tra i vari autori eccezion fatta per l'equilibrio chimico di stranezza

L'aumento di stranezza e' stato proposto come una possibile segnatura della formazione del QGP (Muller e Rafelski 1980)

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Fit alle molteplicita' di Pb+Pb @ 158 A GeV/c

F.B., J. Cleymans, A. Keranen et al. Phys. Rev. C 64 (2001) 024901

Altre analisi di molti altri gruppi danno risultati compatibili eccetto γ

S nell'analisi di P. B. Munzinger et al.

10-1

1

10

10 2

10 3

10-1

1 10 102

Multiplicity (therm. model)

Mul

tiplic

ity (

data

)

SpS Pb+Pb collisions 158A GeV/c

T=158.1±3.2 MeV

µB=238±13 MeV

γs=0.789±0.052

χ2=14.4/6 dof

πpK+

K0

K-

p–φ

Ξ-

Ξ–+Λ

–/Λ

π K+ K- K0 p p-p–

φ Ξ- Ξ–+

Λ–

Res

idua

ls

-4-2024

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Temperature e potenziale chimico barionico

Strange Quark Matter 2001 J. Phys. G 28 (2002) 1553

µB (MeV)

T (

MeV

)

Au-Au SIS

Au-Au AGS

Si-Au AGS

Pb-Pb SPS 40(preliminary)

Pb-Pb SPS

Au-Au RHIC

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 200 400 600 800 1000

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Giornata in onore di Anna Cartacci

In ioni pesanti:

Freeze-out chimico < Freeze-out cinetico

La determinazione del freeze-out cinetico viene effettuata con l'analisi combinata di spettri trasversi e correlazioni di Bose-Einstein (studio della dimensione della sorgente in espansione)

E' stato mostrato che Tkin

< Tchem

in molte collisioni

esiste una fase di re-scattering adronici essenzialmente elastici che tengono le sorgenti in equilibrio

J. P. Blaizot, summary talk in Quark Matter 99

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Soppressione ed aumento relativo di stranezza

Strange Quark Matter 2001, J. Phys. G 28 (2002) 1553

√ s (GeV)

λ S

RHIC (midrap)

SPSPbPb 40 (prel.)

SPSPbPb SS SAg

AGS SiAu

AGSAuAu

SIS

K+p collisionsπ+p collisionspp collisionspp

– collisions

e+e- collisionsAB collisions

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 10 102

103

√ s (GeV)

γ S

Au-Au SIS (fixed)

Au-Au AGS

Si-Au AGS

Pb-Pb SPS 40(preliminary)

Pb-Pb SPS

S-S S-Ag SPS

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Produzione di stranezza e modelli effettivi

Interpretazione del rapporto s/u osservato con modello statistico per quarks costituenti (modello NJL) all'equilibrio chimico (F. B., G . Pettini 2001-2002)

Collisioni di ioni pesanti: s/u determinato da densita' barionica e temperatura

Collisioni elementari: s/u determinato anche da dimensione del sistema e dimensione del singolo cluster singoletto di colore

Un approccio diverso (ma con idee simili) proposto da:

O. Scavenius, J. Lenaghan, A. Dumitru 2001

F.B., G. Pettini, hep-ph 0204340

Au-Au RHIC

Pb-Pb SPS 158 GeV

Pb-Pb SPS 40 GeV

Si-Au AGS

Au-Au AGS

µB (GeV)

λ S

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

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Giornata in onore di Anna Cartacci

EFFETTO DEL VOLUME FINITO IN SISTEMA e+e-

T = 160 MeV

Ms = 452 MeV

Mu,d= 112 MeV

V (fm3)

λ S

Vc = 5 fm3

10 fm3

20 fm3

40 fm3

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0 20 40 60 80 100 120 140 160

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Giornata in onore di Anna Cartacci

Attivita' in corso e futura a Firenze

Calcoli microcanonici per il modello statistico di adronizzazione (complicati) per testare il modello stesso a basse energie e nei canali esclusivi

Realizzazione di un algoritmo di Monte-Carlo per il modello statistico e applicazione preliminare alle collisioni e+e-

F. B., A. Keranen, L. Ferroni (tesi di Laurea), R. Ugoccioni

Uso di modelli effettivi diversi per calcolo s/u e confronto coi dati

L. Ravagli (tesi di Laurea), G. Pettini

PROPOSTA DI UNA INIZIATIVA SULLA FENOMENOLOGIA DELLE COLLISIONI DI IONI PESANTI E FISICA RELATIVA A PARTIRE DAL

2003:

FI61

Catania (1), Firenze (2), Torino (3), Trieste (1)