Fisica nucleare delle alte energie

Oggetto:

Fisica nucleare delle alte energie

Oggetto:

Anno accademico 2009/2010

Codice dell'attività didattica

S8991

Docente

Prof. Massimo Masera (Titolare del corso)

Corso di studi

c206 laurea spec. in fisica delle interazioni fondamentali

Anno

2° anno

Periodo didattico

Primo periodo didattico

Tipologia

Di sede o curricolari

Crediti/Valenza

SSD dell'attività didattica

FIS/04 - fisica nucleare e subnucleare

Oggetto:

Obiettivi formativi

Il corso si prefigge di illustrare le principali tematiche legate alla sperimentazione con fasci di ioni ad energia ultrarelativistica

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Gli studenti acquisiranno una conoscenza di massima dei principali risultati ottenuti sinora al CERN e al Relativistic Heavy Ion Collider e delle attuali attese per il Large Hadron Collider

Oggetto:

Introduzione: il confinamento dei quark. Cromodinamica quantistica: fenomeni trattabili con un approccio perturbativo e fenomeni non trattabili con questo approccio. MIT bag model. Deconfinamento per riscaldamento e per compressione. Stima della temperatura critica di deconfinamento nel limite di numero barionico nullo. Valutazione della pressione e della densità di energia in funzione della temperatura. Deconfinamento per compressione. Diagramma di fase della materia nucleare, il plasma di quark e gluoni (QGP).
Termodinamica: potenziali termodinamici. Approccio gran canonico nello studio della materia nucleare. Potenziale chimico barionico. Funzione di partizione gran canonica. Transizioni di fase. Deconfinamento in laboratorio: collisioni ultra-relativistiche tra ioni pesanti. Acceleratori di ioni e fasci di ioni. Sezione d'urto Pb-Pb. Regime di stopping completo e di trasparenza nucleare. Variabili cinematiche: rapidità e pseudorapidità. Distribuzioni di rapidità.
Cromodinamica quantistica su reticolo: dall'azione euclidea alla funzione di partizione gran canonica. Variabili di link. Risultati e previsioni ottenuti con calcoli su reticolo.
Geometria delle collisioni nucleari: il modello di Glauber. Nuclear thickness function. Numero delle collisioni nucleone-nucleone in funzione del parametro di impatto (centralità della collisione). Nucleoni partecipanti alla collisione e nucleoni spettatori. Misure di centralità. Molteplicità di particelle cariche prodotte in collisioni nucleari: il wounded nucleon model. Molteplicità in funzione della centralità dell'urto. Molteplicità delle varie specie adroniche: modelli statistici di adronizzazione. Verifica sperimentale dei modelli statistici.
Valutazione della densità di energia: modello di Bjorken. Tempo di formazione e tempo di termalizzazione. La collisione tra nuclei come processo: fasi della collisione ed osservabili ad esse associate.
Osservabili sperimentli legate al deconfinamento.
Moti collettivi: flow. Fluidodinamica e collisioni tra nuclei. Radial flow e flow trasverso anisotropo. Flow ellittico. Importanza del flow ellittico: risultati sperimentali a RHIC e all'SPS.
Soppressione degli stati di charmonio in caso di deconfinamento (Matsui-Satz). Il mesone J/psi: meccanismi di formazione. Stati legati in QGP: lo screening di Debye. I diversi stati del charmonio e del bottomonio: soppressione sequenziale. Processi di riferimento: open charm e Drell-Yan. Discussione dei vari processi di assorbimento. Risultati sperimentali.
Simmetria chirale e QCD. Ripristino della simmetria chirale in collisioni nucleari. Osservabili legate alla transizione di chiralità: modifiche di proprietà dei mesoni vettori. Risultati sperimentali e confronto con i modelli teorici.
Processi ad alto momento trasferito (hard processes): jets, particelle contenenti quark charm e beauty, stati di quarkonio. Calcolo di sezioni d'urto di produzione in collisioni p-p: fattorizzazione. Sezione d'urto in collisioni nucleo-nucleo: binary scaling. Funzione di modificazione nucleare. Rottura dello scaling binario: effetti di stato iniziale (cold nuclear matter effects) ed effetti di stato finale (hot nuclear matter effects). Perdita di energia dei partoni in materia nucleare. Il modello BDMPS.
Particelle ad alto momento trasverso: risultati sperimentali, jet quenching. Quark pesanti. Perdita di energia in materia nucleare. Tecniche e risultati sperimentali.

Introduction: quark confinement. Quantum chromodynamics: limits of the perturbative approach. The MIT bag model. Deconfinement by heating and by compression.
Estimate of the deconfinement critical temperature in the limit of vanishing baryon number. Evaluation of pressure and energy density as a function of the temperature. Deconfinement by compression. Nuclear matter phase diagram; the quark gluon plasma (QGP).
Thermodynamics: potentials. Grand canonical ensemble and nuclear matter. Baryo-chemical potential. Grand canonical partition function. Phase transitions. Deconfinement in the laboratory: ultrarelativistic heavy ion collisions. Accelerators and ion beams. Pb-Pb cross section. Full stopping and nuclear transparency regimes. kinematic variables: rapidity and pseudorapidity. Rapidity distributions.
Lattice quantum chromodynamics: from the Euclidean action to the grand canonical partition function. Link variables. Results and predictions from lattice QCD.
Nuclear collisions geometry: the Glauber model. Nuclear thickness function. Nucleon-nucleon collisions as a function of the impact parameter (centrality). Participant and spectator nucleons. Centrality measurements. Charged particle multiplicity in nuclear collisions: the wounded nucleon model. Multiplicity as a function of the centrality of the collision. Multiplicity of the different hadron species: statistical hadronization models. Experimental confirmation of statistical models.
Evaluation of the energy densitiy: the Bjorken model. Formation and thermalization times. The collision as a process: its different phases and the related observables.
Experimantal observables connected to the deconfinement.
Collective phenomena: flow. Fluidodynamics and nucleus-nucleus collisions. Radial flow and transverse anisotropic flow. Elliptic flow. Relevance of the elliptic flow: experimental results at the SPS and at RHIC.
Suppression of charmonium states in case of deconfinement (Matsui-Satz). The J/psi meson: formation mechanisms. Bound states within the QGP: the Debye screening. The different charmonium and bottomium states: sequential suppression. Reference processes: open charm and Drell-Yan. Discussion of the various possible absorption mechanisms. Experimental results.
Chiral symmetry and QCD. Chiral symmetry restoration in nucleus-nucleus collisions. Observables linked to chiral symmetry: changes of properties of vector mesons. Experimental results: comparison with the main theoretical models.
Processes with high momentum transfer (hard processes): jets, heavy flavours and quarkonia. Production cross section computation in p-p collisions: factorization. Cross section in nucleus-nucleus collisions: the binary scaling. Nuclear modification function. Binary scaling breaking: initial state effects (cold nuclear matter effects) and final state effects (hot nuclear matter effects). Parton energy loss in nuclear matter. The BDMPS model. High transverse momentum particles: experimental results, jet quenching. Heavy flavours. Energy loss in the medium. Experimental techniques and results.

Descrizione