# Presentation: 478257

## Ideális kvarkfolyadék a RHIC-nél

**Mérföldkövek a kvarkanyag kutatásában**
**a PHENIX kísérletnél**

**Csanád Máté, ELTE TTK Atomfizikai Tanszék**
**ELFT Vándorgyűlés Eger, 2007. augusztus 23.**

## Relativistic Heavy Ion Collider

**RHIC: Relativisztikus nehézion ütköztető**
- Au+Au, Cu+Cu, p****+p****, d+Au ütközések
- 4 kísérleti együttműködés:
- 	BRAHMS, PHENIX, PHOBOS (Veres Gábor), STAR
**Magyar ****intézményi ****részvétel a PHENIX****-ben:**** **
- KFKI: Csörgő T., Hidas P., Ster A., Sziklai J., Zimányi J.
- ELTE:  Kiss Á., Csanád M., Nagy M., Deák F.
- DE: *Dávid G**.*, Tarján P., Imrek J., Vértesi R., Veszprémi V.

## Rövid áttekintés

**Sokmódusú gyorsító**
**22 GeV (Au, Cu, p********)**
**56 GeV (Au)**
**62 GeV (Au,**** ****Cu, p**********
**130 GeV (Au)**
**200 GeV (Au, Cu, d, p********)**
**410 GeV (p********)**
**500 GeV (p********)**
**Tudomány**
**>160 ****referált cikk****, ****több mint**** 90**** a Phys. Rev. Lettersben**
***Jelentős*****  ****felfedezések ****discoveries**
**A jövő: e-RHIC és RHIC II**
**Azonosított kulcskérdések**
**A gyorsító és a kísérletek továbbfejlesztése biztosítva**

## A PHENIX csoport

## 1. mérföldkő: új jelenség

**1. mérföldkő: új jelenség**

**Nagy transzverz impulzusú részecskék elnyomása: PHENIX eredmény a Physical Review Letters címlapján**
**Az első nagy tudományos elismerés, az első magyarországi szerzővel: Ster András**

## A részecskesugarak elnyelődése

**Nagy energiájú részecskesugarak elnyelődése:**
**	****jet-quenching ******** sűrű, erősen kölcsönható (ragacsos) anyag**
**Ellenpróba (d+Au) és referencia (p+p) döntő**

## 2. mérföldkő: új anyagfajta

**d+Au ütközésekben nem megfigyelhető az új jelenség**
**Nem az Au mag szerkezetmódosulása**
**Au+Au: új anyag**
**PHENIX-Magyarország: 10 szerző**

## Skálázási előrejelzések

**Kollektív, termális viselkedés →**
**	****Információvesztés, skálázás**
**Mit jelent ez? **
**Hubble törvény vagy akár Newton**
**Cannot predict acceleration or height**
**Transzverz spektrumok:**
**Elliptikus folyás:**
**Korrelációs sugarak:**

## 3. mérföldkő: elliptikus folyás

**3. mérföldkő: elliptikus folyás**

**Elliptikus folyás (v****2****): kollektív mozgás**
**Ritka gáz esetében v****2**** nulla**
**Hidrodinamikai viselkedés: v****2**** > 0**

**M. Csanád, T. Csörgő, A. Ster et al. nucl-th/0512078**

## Hidrodinamikai skálázás

**Buda-Lund *****hydro*****: prediction of scale function (2003)**
**PHENIX (2005), PHOBOS (2006) and STAR (2005) data do collapse**
**Prediction based on *****perfect hydro***** is VALID**

**Csörgő, Akkelin, Hama, Lukács, Sinyukov (Phys. Rev. C67, 034904, 2003)**
**Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster (Nucl. Phys. A742:80-94,2004)**
**Csanád, Csörgő, Lörstad, Ster et al. nucl-th/0512078**

## Top Story 2005

**Az Amerikai Fizikai Intézet szerint 2005 legfontosabb eseménye a kvarkfolyadék felfedezése**

## 4. mérföldkő: kvarkok folyadéka

**Az elliptikus folyás hidrodinamikai változóban a kvarkszámmal skáláz!**
**Szabadsági fokok: kvarkok**

**PHENIX Collaboration, nucl-ex/0608033**

## Kísérleti tapasztalatok összegzése

**Részecskesugarak elnyelődése, d+Au ellenpróba: új anyag**
**Elliptikus folyás: ez az új anyag folyadék**
**Sikertelen számítások viszkózus modellekkel**
**Siker elhanyagolható viszkozitás mellett**
**Hasonlat (Bill Zajc, Scientific American):**
**Egyszerre kiszabaduló sok rab**
**Kis térrész, „tolongás”, gyakori kölcsönhatások, termalizáció, folyadék-viselkedés!**
**Kvarkok ideális folyadéka**
**Nincs viszkozitása és hővezetése**
**Szabadsági fokok: kvarkok**

## Néhány további részlet

**Néhány további részlet**

**Mach-kúpok észlelése**
**d, ****Φ**** és D részecskék is „folynak”**
**Semleges pionok elnyomva, fotonok nem**
**Királis dinamika: ****ρ**** és ****η****’ tömegmódosulás**
**Cross-over fázisátmenet helyett**

**PHENIX Collaboration, various papers**

## Jövő, célok

**A kvarkanyag természetének feltérképezése**
**Új adatok analízise**
**Új elméleti jóslatok tesztelése**
**Nagyobb luminozitás (RHIC II)**
**Felfedező utak a QCD fázisdiagramján**
**Nagyobb energiák vizsgálata**
**A kritikus pont keresése (alacsonyabb energiák)**
**Új ütköztető rendszerek vizsgálata (e-RHIC)**
**Kolumbusz éppen megérkezett az Új Világba**

## Konklúzió

**Tökéletes kvarkfolyadék létrehozása a RHIC Au+Au ütközésekben**
**PHENIX mostantól igazán produktív**
**11 legutóbbi Phys. Rev. Lett.: 41 cikk (átlagban négy!)**
**PHENIX (RHIC) még min. 5 évig meghatározó**
**Fejlesztések utána: e-RHIC és RHIC II**
**Intézményi tagság, szavazati jog**

**PHENIX**
**PHENIX**
**PHENIX**

## Köszönöm a figyelmet

**Gáz**

**Folyadék**

## „Új természeti törvények felfedezése”

**„****Általában az alábbi módon keressük az új természeti törvényeket. **
**Első lépésben felteszünk egy elméletet. **
**Aztán megvizsgáljuk a feltételezésünk következményeit, hogy lássuk, mit jelentene, ha az elméletünk igaz lenne.**
**Majd a számítások eredményeit összehasonlítjuk a Természettel, közvetlenül a megfigyelésekkel, kísérlet vagy tapasztalat által, hogy lássuk, működik-e.**
**Ha ellentmond a kísérleteknek, akkor hibás az elméletünk.**
**Ebben az egyszerű állításban van a tudomány kulcsa.**
**Nem számít, milyen szép az elméletünk, nem számít, milyen okosak vagyunk, hogy ki találta ki az elméletet, hogy őt hogy hívják —ha ellentmond a kísérleteknek, akkor hibás.”****	****	****	**
**	****	****	****	****	****	****/R.P. Feynman/**

## Basic ideas
Don’t  equate viscous with sticky (jet suppression)
Think instead of a not-quite-ideal fluid:
	“not-quite-ideal” =  “supports a shear stress”
Viscosity  defined as:

Estimate:
Small viscosity  Large cross sections
Large cross sections  strong couplings
Strong couplings  perturbation theory difficult

**Don’t  equate viscous with sticky**** (jet suppression)**
**Think instead of a not-quite-ideal fluid:**
**	****“****not-quite-ideal” =  “supports a shear stress”**
**Viscosity ******** defined as****:**
**Estimate:**
**Small viscosity ******** Large cross sections**
**Large cross sections ******** strong couplings**
**Strong couplings ******** perturbation theory difficult**

**Viscosity Primer**

## Viscosity estimates

**Lower bound on viscosity:**
**hep-th/9711200, gr-qc/0602037, hep-th/0405231**
**Results on**** ****h/s**
**R. Lacey et al.,**** ****nucl-ex/0609025**
**H.-J. Drescher et al.,**** ****ar****x:****0704.3553**
**S. Gavin****,**** M. Abdel-Aziz,**** ****nucl-th/0606061**
**A. Adare et al.,**** n****ucl-ex/0611018**

## Phase diagram of QCD

**New states of matter (?)**
**Hadrons ******** QCD plasma?**
**Lattice QCD: critical temperatures around 176MeV (see Z. Fodor’s talk) **
**(hep-ph/0511166)**

## A Nagy Bumm

**Korai univerzum: forró, táguló rendszer**
**Kvarkanyag, kvark-gluon plazma**
**Protonok, neutronok kifagyása**

## PHENIX

**Fotonok, elektronok, müonok, hadronok**** azonosítása**
**A reakció összes szakaszának vizsgálata**
**Áthatoló próbák: korai állapotot tükrözik**
**Hadronok: kifagyáskori állapot**

## PHENIX összefoglaló, Kvarkanyag ‘05

**Az új anyag megolvasztja és újragenerálja a ritka részecskéket**

**PHENIX összefoglaló, Kvarkanyag ‘05**

**Az új anyag sűrű**

**Az anyag erősen csatolt**

**Az új anyag forró**** **

**Az új anyag módosítja a nagyenergiás részecskenyalábokat**

- Kísérlet és elmélet vállvetve megmérheti is kiszámolhatja az új anyag, új kölcsönhatás tulajdonságait

- Visszautasíthatatlan ajánlat!!

## Nukleáris modifikáció (PHENIX)

**Ellentétes függés az ütközés frontálisságától**
**d+Au: Cronin-effektus (részecskék újraszóródnak ******** növekmény)**
**Au+Au: Új jelenség: elnyelődnek a nagyenergiás részecskék (jetek)**
**Keletkező új anyag: részecskesugarak elnyelése (jet quenching)**

## Szögeloszlások (STAR)

**Kifutó irány: p+p, d+Au, Au+Au hasonlóan viselkedik**
**Befutó irány: Au+Au-ban elnyelődés, p+p és d+Au-ban nincs**
**A befutó részecskesugarak elnyelődése a frontális Au+Au ütközésekben létrejövő új anyagon**

**pedestal and flow subtracted**

**  ****Nagyenergiás részecskesugarak szögkülönbség-eloszlása**

## Mach cone?
Jets travel faster than the   speed of sound in the medium.
While depositing energy  via gluon radiation.
QCD “sonic boom” (?) 
To be expected     in a dense fluid    which is    strongly-coupled

**Mach cone?**
**Jets travel faster than the   speed of sound in the medium.**
**W****hile depositing energy **** via gluon radiation.**
**QCD “sonic boom” (?)**** **
**To be *****expected*****  ****   in a *****dense fluid***** ****   which is ****   *****strongly-coupled***

**Fluid Effects on Jets ?**

## The (Assumed) Connection

***Exploit*****    Maldacena’s ****“D-dimensional strongly coupled gauge theory ******** (D+1)-dimensional stringy gravity”**
***Thermalize*****   with massive black brane**
***Calculate*****   viscosity ******** ****= “Area”/16********G**
***Normalize***** by entropy (density)  s = “Area” / 4G**
***Dividing out*****  the infinite “areas” :**
***Conjectured ***** to be a lower bound “*****for all relativistic quantum field theories at finite temperature and zero chemical potential*****”. **
***See***** “*****Viscosity in strongly interacting quantum field theories from black hole physics*****”, P. Kovtun, D.T. Son, A.O. Starinets, Phys.Rev.Lett.94:111601, 2005, **_**[hep-th/0405231](http://arxiv.org/abs/hep-th/0405231)**_** **

- Infinite “Area” !

- hmn

- Am

- An

## New Dimensions in RHIC Physics

**“**The stress tensor of a quark moving through N=4 thermal plasma**”, J.J. Friess *****et al*****., hep-th/0607022**

**Our 4-d world**

**String theorist’s 5+5-d world**

**The stuff formerly known as QGP**

**Heavy quark moving through the medium**

**Energy loss from string drag**

**Jet modifications from wake field**

## Chiral symmetry restoration?

**Prediction: ********’ mass reduction in hot and dense matter due to U****A****(1) symmetry restoration**
**Idea: measure ********(m****t****) dependence at low momenta**
- Kapusta, Kharzeev, McLerran
- Phys.Rev.D53:5028-5033,1996
- Z. Huang, X-N. Wang
- Phys.Rev.D53:5034,1996
- Vance, Csörgő Kharzeev
- Phys.Rev.Lett.81:2205-2208,1998
- T. Hatsuda, T. Kunihiro
- Phys. Rept. 247:221,1994

## Why the(mt) dependence

**Why the********(m****t****) dependence**

**Prediction:**
- In hot and dense matter
- ’ mass reduction
- 
- Enhanced ’ content
- Decay:
- ’++ +- (0+++−)+++−
- Long lifetime
- Average pt of ’s 138 MeV
- 
- More non-interacting ’s at 138 MeV
- (mt) measures fraction of interacting ’s
- 
- A hole in (mt)

**PHENIX FINAL DATA**
**Au+Au 200 GeV**
** ****S. S. Adler et al.,  PRL93,152302(2004)**

******(m****t****) measures fraction of strongly coupled ********’s**

## Analysis of new, low pt data

**U****A****(1) restoration tested with three type of ********(m****t****)  measurements**
**Results critically dependent on understanding of statistical and systematic errors**
**Additional analysis required for definitive statement**

**PHENIX PRELIMINARY**

**M. Csanád for the PHENIX Collaboration, Quark Matter 2005, Budapest**
**nucl-ex/0509042**

## What kind of transition?

**Basic observables in second order phase transitions: critical exponents**
**Spatial distribution of the order parameter: ******
**Equals to the Lévy-stability index of two-particle correlations ******** **
** ********=******** Csörgő *****et. al.*****, nucl-th/0512060**
**Universality class of QCD = that of 3d Ising models**
**Here ********=0.03±0.01, but in more realistic random field Ising models: ********= 0.50±0.05 (Wilczek and Rajagopal, hep-ph/9210253)**
**Analysis of PHENIX **
**	****Au+Au data: ********=1.4±0.1**
**Second order phase**
**	****transition closed out**
**	****(preliminarily)**

**nucl-ex/0509042**