1/41
Production of Charmonia
in Cu+Cu and p+p collisions
at √sNN=200GeV
学籍番号35-57017 織田 勧(おだ すすむ)
博士学位論文審査会
2008年1月29日(火)午後3時30分-
2/41
この発表の内容
•
•
•
•
•
•
クォーク・グルオン・プラズマ(QGP)
物理的動機・背景
RHIC-PHENIX実験
データ解析
結果および議論
まとめ
銅原子核衝突におけるJ/ye+e陽子衝突におけるccJ/y+ge+e-g
3/41
クォーク・グルオン・プラズマ(QGP)
• 原子核
– クォークとグルオンが閉じ込めら
れている
• QGP
– 高温高密度で、閉じ込めから開放
された相
• 理論予想
– 温度150-200MeV以上
– エネルギー密度~1GeV/fm3以上
で実現
• 実験手法
– 高エネルギー重イオン衝突
4/41
高エネルギー重イオン衝突の描像
衝突に関与する核子
(participant)
衝突に関与しない核子
(spectator)
衝突して生成された粒子
衝突前
•
•
•
•
衝突後
衝突係数bによって様相が変わる。
衝突に関与する核子数(Npart)
– 陽子陽子(p+p)衝突では2個
核子・核子の非弾性衝突の回数(Ncoll)
– p+pでは1回
Geometricalなモデル計算で推定(Glauberモデル)
Npart
赤:金+金
青:銅+銅
Ncoll
赤:金+金
青:銅+銅
5/41
高エネルギー重イオン衝突でのJ/y生成
• 衝突前 :
– Nuclear shadowing
• 原子核中でのグルオン分布の変化
• 衝突初期 :
– 2つのグルオンの衝突により、J/y(の前駆状態)
ができる
• 生成数はNcollに比例するはず
– Nuclear absorption / breakup
• J/yと核子の衝突により生成されたJ/yが分解す
る
• 熱平衡 :
– QGP中でのカラー遮蔽により、J/yが分解する
• J/yは電子対(e+e-)やミューオン対(m+m-)に崩壊
する(分岐比~6%)ので、実験で捉えやすい。
6/41
動機:QGPのプローブ
としてのチャーモニウム
Non-perturbative Vacuum
c
c
Perturbative Vacuum
• QGP中ではチャーム(c)クォークと
反チャーム(c-bar)クォークを結びつ
けるグルオンが遮蔽され、チャーモ
ニウムを形成しない。
– 1986年 松井・Satz
– チャーモニウムの収量の減少
– QGP生成の証拠
• cc-bar間のポテンシャルは
温度に依存する
c
c
Color Screening
7/41
チャーモニウムの系
DDbar
質量 threshold
JPC
hc(2S) y(2S)
J/y(1S)
hc(1S)
0-+
1--
半径
温度
cc0(1P)
0++
cc1(1P) hc(1P) cc2(1P)
1++
1+-
2++
分解温度が束縛エネルギー
に依存すると予想される
クォーコニウムがガリレオ
温度計として使える
8/41
“熱い”QGPがなくても減少して見える
“冷たい”原子核物質(CNM)の効果
• チャーモニウムは主に2つのグ
ルオンの衝突によって生成され
るが、グルオンの分布は原子核
と陽子の中で異なる。
antishadowing
Fermi
motion
– Nuclear shadowing
– 20%程度の不定性
shadowing
• チャーモニウム(とその前駆状
態)が原子核中の核子と衝突し
て、吸収・分解されてしまう。
– Nuclear absorption / breakup
RHICでのcc-bar生成
e  L abs
EMC effect
CERN-SPSでのJ/y, y’の結果
B(J/y)/(DY)
9/41
J/y
y’
生成されたチャーモニウムが
通過する原子核の距離L
L
• 核子対当りの重心エネルギー sNN=17.3,
19.4GeV
• 鉛原子核衝突, 208Pb+Pb
• 硫黄・ウラン原子核衝突, 32S+U
• CNMを考慮しても、それよりさらに強い収量抑
制が見えた。
– QGP生成の兆候
10/41
BNL-RHICでの√sNN=200GeVでの金
原子核衝突(Au+Au)の結果
RAA 
dN AA
dy
N coll
dN pp
dy
• RAAが1未満であり、
収量抑制を示してい
る
– 最中心衝突で0.3未満
• Npart<100では統計量
が少なく、Ncollの系統
誤差が大きい
11/41
J/yとcc
• Color evaporation model
では生成されるJ/yのうち
–
–
–
–
6割が直接J/yとして生成
3割がccからのJ/y
1割がy’からのJ/y
1%がBからのJ/y
と予想している。
• でも、クォーコニウムの生
成機構を十分よく説明する
理論モデルはない。
• ccに関してはハドロン衝突
の際の実験データは少なく、
大きなばらつき。
RHICでの測定が必要
J/yのうちccの崩壊からできたものの割合。
2
1
Rcc 
 (c cJ )BR (c cJ  J y g )

 (J y ) J 1
BR(cc1J/yg)=35.6 +/- 1.9%
BR(cc2J/yg)=20.2 +/- 1.0%
12/41
研究の目的
• SPSより重心エネルギーが10倍以上高いBNLの
RHICのPHENIX実験でチャーモニウムを用いて高
温高密度状態を系統的に調べる。
1. Npartが100以下で高統計、高精度のデータが取得
できる銅原子核(63Cu+63Cu)衝突の際のJ/yの収
量を測る。
– J/ye+e– CNMの理解
– QGP中でのJ/yの分解温度を調べる
2. 陽子(p+p)衝突でJ/yのうちccからできた割合Rccを
測る。
– ccJ/y+ge+e-g
– J/yの生成源の中で不定性が最も大きい
– 分解温度の束縛エネルギー依存性のために重要
13/41
RHIC加速器
• 周長3.8km
• 100GeVのビーム同士をぶつける。
– p (A=1), d (A=2), Cu (A=63), Au (A=197)
BRAHMS
PHOBOS
PHENIX
STAR
14/41
RHICのRunの履歴
年
Run
核種
sNN
PHENIXの
積分ルミノシティ
2000
1
Au+Au
130 GeV
1 mb-1
2001
2
Au+Au
200 GeV
24 mb-1
p+p
200 GeV
0.15 pb-1
d+Au
200 GeV
2.74 nb-1
p+p
200 GeV
0.35 pb-1
Au+Au
200 GeV
241 mb-1
p+p
200 GeV
324 nb-1
Cu+Cu
200 GeV
4.8 nb-1
p+p
200 GeV
3.8 pb-1
-2002
2002
3
-2003
2004
2005
4
5
2006
6
p+p
200 GeV
10.7 pb-1
2007
7
Au+Au
200 GeV
813 mb-1
2008
8
d+Au
p+p
200 GeV
200 GeV
~80 nb-1
予定
15/41
PHENIX検出器
• Midrapidity(ビーム軸と垂直方向)
(|y|<0.35, Df=p/2x2, 電子、光子、
ハドロン)
– トラッキング
• ドリフトチェンバー(DC)
• MWPC(PC1)
– 電子識別、トリガー
• ガスチェレンコフ検出器
(RICH)
• 電磁カロリメータ(EMCal)
•
• Vertex(衝突点)、centrality (~衝突係数)、
トリガー
– チェレンコフ検出器(BBC)
• 時間情報、荷電粒子の多重度
Forward rapidity(ビーム軸方向)
(1.2<|y|<2.2, Df=2p, ミューオン)
– トラッキング
• MWPC
– ミューオン識別
• ドリフトチューブ
• 鉄製吸収材
16/41
事象トリガー
• 非弾性衝突であることのMinimum Bias
(MB) トリガー
– 前方・後方のBBCともに1本以上ヒットがあること
– PHENIX検出器の中心からビーム軸方向に前後
30cm以内で起きたこと
• 1つ以上の(陽)電子が放出されたことのトリ
ガー(EMCal-RICHトリガー(ERT))
+MBトリガー
– EMCalに大きなエネルギー(0.6-1.1GeV以上)が
あり、
– 対応するRICHのPMTにヒットがあること
J/ye+e少なくともどちらか一方を捉え、トリガーに使う。
Beam-Beam Counter
EMCal
RICH
17/41
データ解析
衝突係数、centrality
0-5%
5-10%
90-94%
10-20%
0-10%
90-94%
0-5%
5-10%
90-94%
b=0 fm
2つのBBCの電荷の和をスライスして、
centrality(衝突中心度)を決める。
中心衝突(bが小)がcentrality=0%で、
一番端であたった衝突(bが大)がcentrality=94%
MBトリガーの検出効率が94%
b=10 fm
18/41
飛跡・ 3次元運動量の決定
• VertexはBBCの時間情報で
決める。
– p+pで約2cmの位置分解能
• DCでf方向の飛跡を決定し、
横運動量を求める(積分磁場
0.78Tm)。
• PC1(MWPC)でz方向の位置
を決め、3次元運動量にする。
• pT=1GeV/cで約1%の運動量
分解能
19/41
電子識別(1/2)
• リング・イメージング・チェレ
ンコフ検出器のリングの領
域に2本以上PMTがヒットし
ていることを要求
• 1気圧CO2ガス
– 18MeV/c以上の電子
– 4.9GeV/c以上のパイオン
• 私が運用・較正・保守を担当
20/41
電子識別(2/2)
• EMCal
– 電磁シャワーだと仮定して、光量から
エネルギーを再構成する。
– エネルギーと運動量の比(E/p~1)、z方
向、f方向の位置の飛跡の外挿点から
のずれの情報を使って、ハドロンの
バックグラウンドを減らす。
-2 0
• Cu+Cuでのハドロンの除去能~300
@~95%の電子の検出効率
•
光子識別
EMCal
– エネルギーが0.3(0.2) GeV以上
– 電磁シャワーである確率が高いもの
だけを選ぶ
• DC, PC1
– 荷電粒子の飛跡が近く
(35cm×35cm)にあるものは落とす。
• 検出効率 9割
6
E/p
-2以上
-4 0
4 -4 0
4
f方向のずれ z方向のずれ
+/-4以下
+/-4以下
正規分布に標準化してある
黒:実データ
緑:シミュレーション
p02g
0.6<pT<0.65GeV/c
Eg>0.2GeV
21/41
Cu+Cu衝突での電子対の不変質量分布
• 全ての電子の候補でペア
を作って、不変質量を求
めた。
• 2.9-3.3GeVがJ/yの領域
• Unlike sign (e+e-)ペアか
らlike sign(e-e-, e+e+)ペ
アの数を差し引いた。
• cc-bar, bb-barのsemileptonic崩壊とDrell-Yan
からのe+e-を差し引いた
(event generatorで推定
した、~10%)。
• Internal+external
radiationもsimulationで
推定し(~12%)、補正した。
• 最終的に見つかったJ/y
は約1400個。
• 質量分解能~50MeV
22/41
p+p衝突での不変質量分布
NJ/y=4145
赤:e+e青:e-e-,e+e+
Mass(ee)=Mass(J/y)=3.097GeV Mass(e+e-g)-Mass(e+e-)
=Mass(cc)-Mass(J/y)~0.44GeV
• 2.9-3.3GeVのe+e-ペアと光子の候補の組み合わせ全部で
不変質量を組み、分解能を良くするため、質量差にした。
– ccの質量分解能~50MeV
– ccのピークの兆候 (~80個)
23/41
J/yの不変収量にするための補正因子
2
nJ y ( pT )
BR d N J y
1

2ppT dpT dy 2ppT N MB DpT Dye ( pT )
BR
: 崩壊分岐比 J/ye+e- 5.94%
nJ y
: 捉えたJ/yの数
N MB : 解析したMBイベント数
e  e acc  e ERT  e embed : 補正因子
• 検出効率・アクセプタンス eacc
– pTに依存
• ERTトリガー効率 eERT
– pTとcentralityに依存
• 高粒子多重度に関する補正 eembed
– pTとcentralityに依存
24/41
検出効率・アクセプタンス
• 実際の検出器の不感領域を取り込んだ
GEANTシミュレーションで評価した。
• RICHと EMCalの応答の実データとシミュ
レーションの間での違いはg-conversionと
J/yのピーク自身で評価し、数%だった。
PC1ヒットのz分布
DCヒットのf分布
RICHのヒットPMTの数
リング
R=3.4-8.4cm
円板
R<11cm
25/41
ERTトリガー効率
• 実データから(陽)電子のERTトリガーの効率を
random benefit込みで求めた。
• J/yのトリガー効率は(陽)電子のものから推定した。
e e ( pT , sector, centrality ) 
N ( pT , sector, centrality , eIDcut & &ERTLL1_E )
N ( pT , sector, centrality , eIDcut )
ey ( pT ,y , centrality )  1  (1  e e ( pT ,e , sectore , centrality )) (1  e e ( pT ,e , sectore , centrality
電子+陽電子
1.1GeV threshold
0-10%
↑random benefitによる
J/y
青 : 0.8GeV threshold 0-10%
赤 : 1.1GeV threshold 0-10%
))
26/41
高粒子多重度に関する補正
• Centralityの異なる実
データの事象に、シミュ
レーションで作った
J/ye+e-を埋め込ん
で(embedding)、再構
成されるJ/yの数を比
べることで、高粒子多
重度による性能の悪化
を評価した。
• 最大で3%。
• pT依存性は大きくな
かった。
27/41
J/yが捉えられたときの
ccの条件付き検出効率
1
Rc c 
1
1
N J /y
Dyy e accJ /y eee ERT
1
Dy c c
J/yに関する平均
e
1
J /y detected
icc 1 accc c  J /yg
(p ) e
T ,c c
accJ /y ee
(p
1
T , J /y
)e ( p
ERT
T , J /y
cc の条件付き検出効率 J/y のアクセプタンス
ccJ/yge+e-g
~10%
pT,cc (GeV/c)
Nc
cc のアクセプタンス
候補ごとに検出効率を
補正した後の質量分布
)
28/41
[A.U.]
結果1: Rcc
-1 +1
10%
0
0.4
1
フィットから求めたRccの確率分布
Rcc<0.4 (90%の信頼度の上限値)
Rccに強いエネルギー依存性は無い。
29/41
Rccの理論計算との比較
• チャーモニウムの前駆状態と
してカラー1重項だけを考慮し
たモデル(CSM)よりも、8重項
も考慮したモデル(CEM,
NRQCD)の方が合っている。
Color singlet model (CSM)
Color evaporation model (CEM)
NRQCD
30/41
Rccの測定からわかったこと
• RHICのエネルギー( s=200GeV)ではJ/yのう
ちccからの寄与はRcc<0.4 (90% C.L.)と大きく
ない。
• エネルギー依存性も大きくない。
• チャーモニウムの生成にはカラー8重項も重要。
• Rcc=0.3と予想するCEMとは矛盾していない。
31/41
結果2-1: J/yの不変収量
RAA 2
1
0
pT=0GeV/c
RAA ( pT ) 
d 2 N AA
dydpT
N coll
d 2 N pp
dydpT
大きなpT依存性はない。
5
32/41
結果2-2:RAAの衝突中心度依存性
Midrapidity, e+eForward rapidity, m+m-
RAA 
dN AA
dy
N coll
Cu+CuでもJ/yのRAAが0.5まで抑制されている。
dN pp
dy
33/41
重陽子・金原子核(d+Au)衝突から
求められた冷たい原子核物質(CNM)の効果
d
Au
後方ラピディティ
-2.2<y<-1.2
xAu~0.003
RdAu
中央ラピディティ
-0.35<y<0.35
xAu~0.02
Ncoll
前方ラピディティ
1.2<y<2.2
xAu~0.09
• 2003年に行なわれた
d+Au衝突のデータと2つ
のnuclear shadowingの
モデル(EKS, NDSG)を
用いて、nuclear
breakup cross section
が求められた。
• breakup=1-5 mb
34/41
冷たい原子核物質(CNM)の効果
• EKS shadowingモデルと実データは誤差の範囲で一致している。
• NDSG shadowingモデルではCNMの効果は小さい。
• 2つのモデルの違いは異なるx依存性とA依存性による。
35/41
Au+Auのデータとの比較
Midrapidity
e+e-
Forward rapidity
m+m-
EKS shadowingモデル
NDSG shadowingモデル
Cu+CuとAu+AuのRAAの振る舞いは一致している。
中心衝突ではCNMより大きな収量抑制がある。
36/41
RAA(データ)/RAA(CNM)
とBjorkenのエネルギー密度
1 dET
e0 
S 0 dy
観測した横エネルギー分布と衝突関与部の断面積S
と熱平衡に達するまでの時間0 (1fm/cと仮定)から求めた。
y 0
J/yの生成源
~10%
y’J/yX
~20% ccJ/yg
~70% Direct J/y
J/y自体が
分解している。
2.5GeV/fm3~180MeV (g,u,d,sからなるQGPの場合)
37/41
モデル計算との比較
SPSの結果を説明するモデルが、
RHICの結果を説明できていない。
RHICの結果は理論的には理解できていない。
SPSでの結果
RHICでの結果
No QGP
No QGP
QGP
QGP
38/41
結果2-3:ラピディティ依存性
Au+Auの中心衝突では前方でより強い抑制。
SCMモデルは似たような傾向を予想
Cu+Cuではラピディティ依存性は小さい
HSDとcomoverは反対の傾向を予想
39/41
結果2-4:横運動量依存性
QGPを仮定したモデル
横運動量はcentralityに大きくは依存していない。
モデルと比較して議論するにはもっと統計量が必要。
40/41
J/yの結果からわかったこと
• Npart<100のところでCu+CuとAu+AuのRAAは一致
している。
• Cu+Cuでは大きなラピディティ依存性、横運動量依
存性はない。
• Cu+Cuの結果はd+Auのデータから決めたCNMの
予測とおおむね一致。
• SPSとRHICでのCNM以外のJ/yの収量抑制はエ
ネルギー密度のみに依っていると考えられる。
– e0~2.5GeV/fm3, T~180MeVから抑制が始まっている。
• Cu+Cuの最中心衝突に対応する。
– Au+Auの最中心衝突ではJ/y自体が分解している。
41/41
まとめ
• QGPのプローブとしてチャーモニウムを使った。
• RHIC-PHENIX実験で、今までの金原子核(197Au)
よりも小さな銅原子核(63Cu)を使って、高統計、高
精度のデータを取得し、小さい系でのJ/yの振る舞
いを調べた。
• Cu+Cuでは冷たい原子核(CNM)の効果が支配的
であることがわかった。
• p+pではJ/yのうちccの崩壊からの寄与を測定し、4
割以下だとわかった。
• SPSとRHICでの結果はCNM以外のJ/yの収量抑
制はエネルギー密度のみに依っていて、RHICの
Au+AuではJ/y自体が分解していることを示唆して
いる。

E = E 1+ E /Mc2⋅ (1−cosθ) EE =187 GeV,θ = 80

アトラスシリコン半導体飛跡検出器：ATLAS Silicon

Belle実験におけるBの物理

博士論文審査報告書

Document