核子当たり158GeVの鉛･鉛衝突における π中間子, K中間子, 陽子の一粒子包括測定 理工学研究科２年 学籍番号 993248 氏 名 相澤美智子 指導教官 三明康郎 高エネルギー原子核･原子核衝突実験 • 高エネルギー原子核･原子核衝突実験の目的 – 高温･高密度相の生成と理解 原子核 原子核 粒子生成･放出 • 衝突の様相を見る方法 – 衝突反応によって生成した粒子を測定 – 粒子生成量、生成比､運動量分布を他の実験や理論計算と比 較する 粒子生成量 – 基本的な測定量 – 様々なエネルギー・粒子の衝突について測定されている 目的 核子当たり158GeVの鉛･鉛原子核衝突実験における 粒子生成量を求め、衝突反応機構を考察する｡ 次のことを方針として解析した｡ １．π ＋ 中間子、Ｋ ＋ 中間子 ､陽子の 一 粒子 生 成量 を 中心衝突度毎に求める。 ２．求められた粒子生成量を、基本的な模型と比較 検討する ① 核子･核子衝突の重ね合わせ ② Wounded nucleon model WA98実験による測定 • WA98実験 – 核子あたり158GeVの鉛・鉛衝突実験 • 検出器系 Spectrometer •位置検出器 Pad chamber×2 Streamer tube detector×2 •飛行時間測定器(JTOF) Zero Degree Calorimeterと Mid Rapidity Calorimeterで 中心衝突度を測定 中心衝突度の決定 ZDCの測定値 は、衝突の幾 何学的描像と 合っている。 実験値 幾何学的描像 0 2 4 6 8 10 12 14 EZDC∝Nspectator Impact parameter b (fm) 周辺衝突 イ ベ ン ト 数 MIRAC(GeV ) Number of spectator nucleons b 中心衝突 ZDC(GeV) ZDCとMIRACで 相補的な 測定を行っている。 E(MIRAC)∝Nparticipant 1 2 3 4 5 本研究ではMid Rapidity Calorimeterの 測定値を中心衝突度の物差しとし、中心 0 100 200 300 400 500 MIRAC測定値(GeV) 衝突度を５段階に分けて解析を行った。 生成粒子数の測定 飛跡再構成 3hits track 4hits track 運動量測定 a b B b 位置検出器上の位置情報(hit)を直 線でfitして飛跡を得る 磁場中での飛跡の曲率を計算して 運動量を得る p q B ds magnet a 粒子識別 運動量p、飛行時間tof、飛跡Lを 用いて粒子質量m0を計算 2 2 2 tof m0 p 1 L 検出された生の粒子数 y 3.7 2.8 3.0 2.3 0 yCM yCM 1 mT-m0 π+中間子 m T p x p y m0 2 1.4 0 2 1 E pz y ln 2 E pz 1.3 1 1 Ｋ+中間子 2 φ 陽子 x z y 0 yCM ビーム軸方向 運動量を (mT,y,φ)で 表す。 検出された粒子数のy-mT分布が得られた この粒子数には、測定法に依存する様々な効果が含まれており、本 来の粒子生成量を表していない。 補正が必要である。 (y, mT-m0)と(p, θ)の対応 θ p2+m02 + p・cosθ 1 y = ln 2 p2+m02 - p・cosθ z ビーム軸方向 mT - m0 = mT-m0 mT-m0 θ= 20° 2 p=10(GeV) θ= 15° 1.5 p=4 1 0.5 0 1 2 3 4 5 6 y 0 0 π中間子 m0=0.14(GeV) mT-m0 1 2 3 4 5 6 y Ｋ中間子 m0=0.49 (GeV) θ= 15° θ= 10° θ= 5° p=1 0 mT-m0 y p=4 0.5 θ= 5° p=1 θ= 20° 1 θ= 10° p=4 p=10 1.5 θ= 15° p=1 0 2 p=10 θ= 20° 1.5 θ= 5° 0.5 mT-m0 2 θ= 10° 1 (p・sinθ)2+m02 0 1 2 3 4 5 陽子 m0=0.94 (GeV) mT-m0 y y 6 y 補正が必要な効果 – 検出器のアクセプタンス 検出されない方位角方向がある。 – 多重散乱・粒子の崩壊 – 検出器の位置分解能 – 検出器の検出効率 多重散乱や粒子の崩壊によって､ 飛跡が再構成されない場合や、 ずれて再構成される場合がある。 検出器の位置分解能により､飛跡が 再構成されない場合や、ずれた飛跡 が再構成される場合がある。 検出器の検出効率により､飛跡が再 構成されない場合がある。 補正係数の算出 y 発生させる 粒子数分布 Ngen(mT, y) mT-m0 モンテカルロ シミュレーション 検出器の幾何学的配置､ 多重散乱、粒子の崩壊、 検出器の分解能､ 検出器の検出効率 検出器から得られる位置情報 補正係数 飛跡再構成･ 運動量測定･粒子識別 得られた y 粒子数分布 Nrec(mT, y) mT-m0 N gen (m T , y) ε(m T , y) N rec (m T , y) 補正係数を実験で検出さ れた生の粒子数に掛けて、 補正を行う Background track 実験にはBackground hitがある。また再構成されなかった飛跡の位置情報もあ る。このようなhitが偶然に飛跡(background track)を構成してしまう可能性が考 えられる。そこでBackground trackの出現確率を考察した。 backgroundの出現確率 もともと入れたeventの飛跡の数 に対し、構成された飛跡は次のよ うになった。 3hits background track:最大7.5% 4hits background track:最大 0.04% #of ghost track/1event それぞれの検出器に同じ多重度の異な るeventのhitを入れ、飛跡再構成した ghost trackの数の多重度依存 10 1 0.1 1 10 100 0.01 0.001 # of tracks/1event 3hits track with tof hit 4hits track with tof hit 3hits trackと4hits trackとでBackground trackの出現確率に違いがある。 得られた一粒子分布（補正後） 4hits trackのみを用いて解析した場合､3hits trackのみを用いて解析し た場合､ 両方用いた場合について、それぞれ一粒子分布を求めた。 π中間子 central 4hits track 4hits track＆ 3hits track 3hits track π中間子 陽子 Ｋ中間子 mT-m0 (GeV) 3hits trackと4hits trackの両方を用いたときか ら、±10%以内に他の解析結果があった｡ そこでこの値を系統誤差とした。 π＋中間子、Ｋ＋中間子､陽子の横質量分布が求められた｡ 単位ラピディティー当たりの粒子生成量：dN/dy 粒子生成量の横質量分布が指数関数形であると仮定し､横質量 分布を積分してdN/dyを求めた｡ dN/dy 200 dN/dy 150 π中間子 陽子 K中間子 100 50 0 0 100 200 300 centrality(GeV) 400 500 この粒子生成量がどのようなモデルで説明されるか考察する｡ モデル1 : 核子･核子衝突の重ねあわせ 高エネルギー原子核･原子核実験の特徴 原子核の大きさ＞＞ド・ブロイ波長：入射核の核子は、相手の核子を見る 衝突時間＜＜核の固有時間 ：衝突の間に､核内核子の運動は無視できる 粒子の生成時間 ～１fm/c ：粒子生成前に何度も核子･核子衝突を起こす 核子･核子衝突 モデル1： 核子は原子核･原子核衝突の間､エ ネルギーを失わずに相手の核子と 次々に衝突する。衝突回数は､原子 核の幾何学的配置による。 衝突のたびに､核子･核子衝突1回 分の粒子を発生する。 このモデルに従うならば､核子･核子衝突1回あたりのdN/dyは、同じエ ネルギーの陽子･陽子衝突のdN/dyと同じになるはずである。 核子･核子衝突1回あたりのdN/dy 陽子･陽子衝突 (dN/dy)/(核子･核子衝突回数) (dN/dy)/（核子･核子衝突回数) 周辺衝突 s 23GeV π中間子 1 陽子･陽子衝突 π中間子 0.1 s 23GeV K中間子 Ｋ中間子 0.01 0 200 反応関与部核子数 400 中心衝突 π中間子は周辺衝突で陽子･陽子衝突のdN/dyに近い値である。 Ｋ中間子は陽子･陽子衝突のdN/dyに近い値である。 このモデルは実験値より多く計算される｡ モデル２：核子･核子衝突毎にエネルギーを失う π中間子についてモデル1が合わない理由としては､核子当たり 158GeVのエネルギーは、粒子生成に使われるエネルギーを無 視できるほど高くはないことが考えられる｡ そこで次のモデルを考えた。 モデル２：核子が核子と衝突するとき､次の衝突の前にその核 子･核子衝突で粒子が生成する分だけエネルギーを落とす。 一個の核子が衝 突を起こす回数の 分布（計算による） 周辺衝突 運動量を持ったπ中間子をつくるた めのエネルギーを放出して失う 中心衝突 衝突回数 モデル２におけるdN/dyの計算 生成されるπ中間子の運動量分 布を以下のように仮定した。 dN は次のような分布とする dy dN/dy N N (y max - ymin ) 2 ymax ｙ ymin ymax 単位ラピディティー当たりの平均横質量 ＜ｍＴ＞＝0.3[GeV] 陽子･陽子衝突における生成粒子数 モデル2によるn回目の衝突のエネルギー 陽子･陽子衝突のエネルギーと multiplicityの関係から､n回目の 衝突でのエネルギー放出量と粒 子生成量を求めた｡ √s (GeV) 20 15 10 5 0 0 2 4 n回目の衝突 6 モデル２と実験値の比較 Ｋ中間子dN/dy モデル1 による π 中間子の dN/dy 400 350 300 250 200 150 100 50 0 モデル2 による π 中間子の dN/dy 40 35 30 dN/dy dN/dy π中間子のdN/dy モデル1 による Ｋ中間子 のdN/dy Ｋ中間子 のdN/dy （実験値） 25 20 15 10 0 200 反応関与部核子数 400 π中間子 のdN/dy （実験値） 5 0 200 0 400 モデル2 による Ｋ中間子 のdN/dy 反応関与部核子数 •π中間子は､モデル2の計算値は実験値より多い。 •Ｋ中間子は、モデル２の計算値は実験値より少ない｡ π中間子では､モデル2でも Over estimateしているが、Ｋ中間 子ではUnder estimateする。 モデル3：Wounded Nucleon Model 核子・核子衝突と原子核同士の衝突では違いがあることが考えられ る。そこで次に､核子・原子核衝突の実験値をよく説明する「Wounded Nucleon Model」を考える Wounded Nucleon Model 核子･原子核衝突における生成粒 子数は何個のWounded Nucleonを 作ったかにより決定される n 1 pp A pA Busza et al. PRL 34, 836(’75) 入射粒子が衝突した標的核子の数 これを原子核･原子核衝突に拡張して考えると、次のようになる。 モデル3：生成粒子数は､反応関与部の核子数で決まる. n Nparticipant 実験値との比較 dN/dyが反応関与部核子数に比例するかどうかを調べた。 dN/dy dN/dy 200 30 180 25 160 20 120 π中間子 100 80 60 dN/dy dN/dy 140 15 K中間子 10 40 5 20 0 0 0 反応関与部核子数 200 400 反応関与部核子数 π中間子は反応関与部核子数に比例するので、Wounded Nucleon Modelに良く合うといえる。 Ｋ中間子は比例からややずれる傾向が見える 反応関与部核子１個あたりのdN/dy 反応関与部核子1個あたりのdN/dy (dN/dy)/（反応関与部核子数） 1 π中間子 K中間子 0.1 0.01 反応関与部核子数 π中間子は一定であり、dN/dyは反応関与部核子数に比例し ているといえる。 Ｋ中間子は一定ではない。 Intra Nuclear Cascade Modelとの比較 核子・核子散乱だけでなく、生成粒子の２次散乱等の効果を入 れたカスケード計算(RQMD)と比較した。 RQMD 400 350 300 250 200 150 100 50 0 モデル2 による π 中間子の dN/dy π中間子 のdN/dy （実験値） 0 200 反応関与部核子数 Ｋ中間子dN/dy モデル1 による π 中間子の dN/dy 400 RQMD 40 35 30 dN/dy dN/dy π中間子のdN/dy モデル1 による Ｋ中間子 のdN/dy Ｋ中間子 のdN/dy （実験値） 25 20 15 10 5 0 0 200 400 モデル2 による Ｋ中間子 のdN/dy 反応関与部核子数 π中間子、Ｋ中間子のdN/dyの実験値により近い値となっている。 まとめ • 核子当たり158GeVの鉛･鉛原子核衝突におけるπ＋中間子､ Ｋ＋中 間子、陽子の不変微分断面積の横質量分布を求め､その分布から それぞれのdN/dyを求めた • 求められたdN/dyをもとに､高エネルギー原子核･原子核衝突の基 本的な描像を考察した｡その結果､次のことがわかった｡ モデル１：核子･核子衝突の重ねあわせ π中間子は中心衝突になるに連れて、核子･核子衝突1回当たりのdN/dyが 減少し、モデル1は実験値よりOver estimateする。 モデル２：核子･核子衝突を基本とし、衝突毎にエネルギーを失っていく反応 π中間子ではまだOver estimateしているが、Ｋ中間子はUnder estimateす る。 モデル３：Wounded nucleon model π中間子は､モデルの予想と良く合う。
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