Electromagne,c Probes: Recent Developments Quark Ma:er - PowerPoint PPT Presentation

Electromagne,c ¡Probes: ¡ Recent ¡Developments ¡ � � Quark ¡Ma:er ¡2014 ¡Student ¡Day, ¡May ¡18, ¡2014 ¡ � Klaus ¡Reygers ¡ Physikalisches ¡Ins,tut ¡ University ¡of ¡Heidelberg ¡

Outline ■ Electro-­‑weak ¡par.cles ¡(W, ¡Z, ¡high-­‑ p T ¡direct ¡photons) ¡as ¡probes ¡of ¡the ¡ini.al ¡ nuclear ¡wave ¡func.on 
 ■ Low-­‑ p T ¡direct ¡photons ¡( p T ¡< ¡4 ¡GeV/ c ) ¡ ‣ Experimental ¡methods ¡ ‣ Spectra ¡and ¡ ¡flow ¡ ‣ Direct-­‑photon ¡(flow) ¡puzzle 
 ■ Dileptons 2 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

1. ¡Probes ¡of ¡the ¡ini.al ¡wave ¡func.on 3 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

High ¡ p T ¡(> ¡4 ¡GeV/ c ) ¡direct ¡photons ¡at ¡RHIC R γ = γ inclusive / γ decay = 1 + γ direct / γ decay γ 7 R s =200 GeV a) 6 NN Au+Au, 0-92% 5 4 3 2 1 12 γ R s =200 GeV b) 10 NN Au+Au, 0-5% 8 6 4 2 γ 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 R 3 s =200 GeV c) PbSc NN 2.5 Au+Au, 60-92% 2 PbGl 1.5 1 PHENIX, ¡PRL ¡109 ¡(2012) ¡152302 ¡ 0.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 p (GeV/c) T γ direct ¡= ¡γ decay ¡at ¡ p T ¡≈ ¡6 ¡GeV/ c ¡in ¡central ¡Au+Au ¡at ¡RHIC 4 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

Direct ¡photon ¡ R AA ¡≈ ¡1 ¡in ¡central ¡Au+Au ¡at ¡RHIC ¡confirms ¡ T AB ¡scaling R AA ( p T ) = 1 / N evt AA d 2 N AA / dp T dy h T AA i ⇥ d 2 σ pp / dp T dy 2.2 AA Isospin effect 2 R EPS09 PDF [5] prompt+qgp [2,4] 1.8 coherent+conversion+ E [3] ∆ 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 Au+Au, s =200 GeV 0.4 NN direct R , 0-5% γ 0.2 AA 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 p (GeV/c) T ■ Isospin ¡effect ¡+ ¡modifica.on ¡of ¡nuclear ¡PDF’s ¡consistent ¡with ¡the ¡data ¡ ■ However, ¡no ¡strong ¡constraints ¡on ¡nuclear ¡pdf ¡within ¡current ¡certain.es 5 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

Reminder: ¡ T AB ¡scaling ¡of ¡ h igh-­‑ p T ¡direct ¡photons ¡is ¡a ¡cornerstone ¡of ¡the ¡ parton ¡energy ¡loss ¡interpreta,on ¡of ¡hadron ¡suppression 6 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

T AB ¡Scaling ¡confirmed ¡at ¡the ¡LHC ¡with ¡Z, ¡W, ¡and ¡Direct ¡Photons Z ¡bosons ¡in ¡ATLAS ] Model 2 ] -1 0-5% ATLAS dm [GeV ATLAS Pb+Pb s = 2.76 TeV Pb+Pb s = 2.76 TeV NN 3 10 -1 Data 2011 L = 0.15 nb NN int Data 2011 1 Z Z ee → µ µ → 100 100 ⁄ dN Opposite sign: 772 1223 -1 -2 L = 0.15 nb Same sign: 42 14 int [GeV Simulation 2 Data / 5-10% 50 50 |y|<2.5 T ll dp → Z 1 T dN p 0 0 70 80 90 100 110 70 80 90 100 110 events m [GeV] m [GeV] 7 2 ee µ µ 10 10-20% N Model: ¡PYTHIA, ¡normalized ¡to 
 the ¡NNLO ¡p+p ¡cross ¡sec.on, ¡ 
 1 scaled ¡by ¡ T AA 2 20-40% -2 10 1 Isolated ¡Photon ¡in ¡ATLAS, 
 0-5% ( 100) × Nucl. ¡Phys. ¡A ¡(2013) ¡577c 5-10% ( 20) × 2 40-80% 10-20% ( 5) × Isolated ¡Photon ¡in ¡CMS, 
 20-40% PLB ¡710 ¡(2012) ¡256 1 40-80% Z ¡and ¡W ¡in ¡CMS, ¡Nucl. ¡Phys. ¡A ¡(2014) 2 2 10 1 10 1 10 10 Z Z p [GeV] p [GeV] T T 7 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

2. ¡Low-­‑ p T ¡Direct ¡Photons ¡( p T ¡< ¡4 ¡GeV/ c ) 8 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

Mo,va,on ¡for ¡low ¡ p T ¡direct ¡photons: 
 Thermal ¡photons ¡from ¡the ¡quark-­‑gluon ¡plasma ¡(1/2) ■ Photons ¡produced ¡in ¡scakerings ¡of ¡quark ¡and ¡gluons ¡in ¡thermal ¡equilibrium ¡ ■ Photons ¡not ¡in ¡thermal ¡equilibrium ¡(λ mfp ¡ ≈ ¡500 ¡fm), ¡but ¡energy ¡spectrum ¡ reflects ¡QGP ¡temperature Photon ¡rate: ¡yield ¡per ¡unit ¡.me ¡and ¡ volume ¡as ¡a ¡func.on ¡of ¡photon ¡energy 
 (theore.cal ¡calcula.on) 
 slope ¡reflects 
 Text temperature 
 QGP ¡photon ¡rate ¡(lowest ¡order): 
 E γ dN γ d 3 p ∝ αα s T 2 e − E γ / T log E γ T k 2 c 9 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

Mo,va,on ¡for ¡low ¡ p T ¡direct ¡photons: 
 Thermal ¡photons ¡from ¡the ¡quark-­‑gluon ¡plasma ¡(2/2) Text ■ Hadron ¡spectra ¡(π, ¡K, ¡p): ¡only ¡from ¡late ¡hadron ¡gas ¡phase ¡ ■ Thermal ¡photon ¡spectrum ¡has ¡contribu.on ¡from ¡all ¡stages ¡of ¡the ¡.me ¡evolu.on ¡ (including ¡the ¡hadron ¡gas ¡phase) ¡ ■ Thermal ¡photons ¡measurement ¡+ ¡modeling ¡of ¡space-­‑.me ¡evolu.on ¡ (hydrodynamics) ¡ ⇒ ¡ini.al ¡QGP ¡temperature Is ¡this ¡a ¡valid ¡line ¡of ¡reasoning? 10 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

Direct ¡photons ¡in ¡heavy-­‑ion ¡collisions: ¡Experimental ¡methods ■ Real ¡photons ¡with ¡calorimeters ¡ ¡ ‣ Challenging ¡at ¡low ¡ p T ¡(energy ¡scale ¡and ¡resolu.on, ¡hadronic ¡background) ¡ ■ Real ¡photons ¡with ¡external ¡conversions ¡ ‣ Good ¡momentum ¡resolu.on ¡at ¡low ¡ p T ¡ ‣ Need ¡to ¡know ¡material ¡budget ¡with ¡high ¡precision ¡ ■ Real ¡photons ¡from ¡external ¡conversions, ¡ 
 in ¡case ¡of ¡π 0 ¡decay ¡partner ¡photon ¡with ¡calorimeter ¡ ‣ π 0 ¡background ¡from ¡measurement ¡of ¡the ¡partner ¡photon ¡with ¡a ¡calorimeter: 
 material ¡budget ¡uncertainty ¡cancels ¡completely ¡ ‣ Traded ¡for ¡energy ¡scale ¡uncertainty ¡of ¡the ¡calorimeter ¡ ■ Virtual ¡photons ¡with ¡masses ¡ m ee ¡ ⪆ ¡100 ¡MeV ¡ ‣ Background ¡from ¡neutral ¡pion ¡strongly ¡suppressed ¡ ‣ Needs ¡lot’s ¡of ¡sta.s.cs ¡ ‣ Extrapola.on ¡to ¡ m ¡= ¡0 ¡(i.e., ¡to ¡real ¡photons) ¡relies ¡on ¡theory ¡ 
 ( ➙ ¡Kroll-­‑Wada ¡formula) 11 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

Low-­‑ p T ¡Direct ¡Photon ¡Spectra ¡at ¡RHIC ¡(PHENIX, ¡virtual ¡photon ¡method) γ /inclusive (a) p+p (b) Au+Au (Min. Bias) 0.2 0.2 √s NN ¡= ¡200 ¡GeV γ 0.15 0.15 r= direct Au+Au ¡ min. ¡bias 0.1 0.1 0.05 0.05 0 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 p (GeV/c) p (GeV/c) T T ■ Enhancement ¡in ¡Au+Au ¡above ¡p+p ¡ describe ¡by ¡an ¡exponen.al Y Au+Au = N coll · Y pp + A · e − p T / T p+p ■ Slope ¡parameter ¡(0 ¡-­‑ ¡20%): 
 T ¡= ¡(221 ¡± ¡23 ¡± ¡18) ¡MeV ■ Ini.al ¡QGP ¡temp. ¡from ¡fitng ¡ PHENIX, ¡ ¡ hydro ¡to ¡data: ¡ T i ¡= ¡300 ¡-­‑ ¡600 ¡MeV PRL, ¡104, ¡132301 ¡(2010); ¡PRC, ¡81, ¡034911 ¡(2010) ¡ ¡ 12 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

How ¡to ¡interpret ¡the ¡slope ¡parameter ¡ T slope ¡? ■ T slope : ¡effec.ve ¡average ¡of ¡temperatures ¡over ¡space-­‑.me ¡evolu.on(?) 
 ■ T slope ¡>> ¡ T c ¡= ¡150 ¡-­‑ ¡160 ¡MeV ¡could ¡indicate ¡that ¡photons ¡predominantly ¡come ¡ from ¡early ¡hot ¡QGP ¡phase 
 ■ In ¡this ¡case, ¡expect ¡small ¡ellip.c ¡flow ¡signal ¡( v 2 ¡≈ ¡2 ¡-­‑ ¡3% ¡or ¡so ¡at ¡maximum) ¡ 
 as ¡collec.ve ¡flow ¡needs ¡.me ¡to ¡build ¡up 13 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers

The ¡direct-­‑photon ¡flow ¡puzzle: 
 Surprisingly ¡large ¡direct-­‑photon ¡ v 2 ¡measured ¡by ¡PHENIX ¡ T 12 12 12 2 0.25 12 12 ) 2 2 v (e) v 0.25 (a) (b) 0.25 0 BBC dir. dir. π v ( ) γ Φ 1.5 ) / ( 2 2 γ 0.2 0.2 , 2 inc. v 1 0.15 dir. 0.15 γ = ( 0.1 0.1 0.5 v2 0.05 R 0.05 0 0 0 RXN E.P. (| |=1.0~2.8) η -0.5 -0.05 min. ¡bias ¡Au+Au ¡at ¡200 ¡GeV -0.05 BBC E.P. (| |=3.1~3.9) η -1 12 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 12 0 2 4 6 8 10 12 p [GeV/c] p [GeV/c] T T ■ Direct-­‑photon ¡ v 2 ¡at ¡ p T ¡≈ ¡2 ¡GeV/ c ¡ = R γ v γ ,incl − v γ ,decay similar ¡to ¡neutral ¡pion ¡ v 2 ¡ v γ ,dir 2 2 2 ■ Direct-­‑photon ¡mostly ¡form ¡late ¡phase ¡ R γ − 1 when ¡flow ¡has ¡fully ¡built ¡up? 14 May 18, 2014 | Electromagnetic Probes: Recent Developments | Klaus Reygers