高エネルギー重イオン反応における原子核相図の探索(PPTX - J-PARC

米国ブルックヘブン国立研究所 (BNL)
坂口貴男
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
1

クオークグルーオンプラズマ
相の探索
◦ 初期宇宙に存在したとされる物
質相

通常温度で核子に閉じ込めら
れているクオークとグルーオ
ンが多体系を構成する系
◦ クオークの核子閉じ込め問題の
解明
◦ 核子の質量獲得機構の解明
 カイラル対称性の部分的破れ

物性的諸量により系を特徴付
けられる
◦ 温度、自由度など
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2

原子核に相があるのならば、
臨界点が存在するはず

重心系エネルギーと衝突中
心度によって、辿れる相図
がほぼ決まる
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3

物理測定量の急激な変化ー＞相転移であろう

K/ 比やその揺らぎの大きな変化
◦ 臨界点における「ホーン」的振る舞い
NA49, Friese at CPOD09
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4
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3/30/2012
5
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
6

Bevalac (LBL ~1984)
◦
◦
◦
◦
Elab = 0.8-2AGeV, C, Ne, Ar, etc.
重イオン反応のダイナミクス（反応関与粒子と周辺粒子の区別など）を確立
高エネルギー状態に伴う中間子の生成、構成粒子集団運動の発見
熱力学の適用可能性を研究

AGS (BNL 1984-1990)

SPS (CERN 1990-2000)

RHIC (BNL: 2000-)：史上初の衝突型重イオン加速器

LHC（CERN: 2009-): √sNN=2.76TeV
◦ √sNN＝5.5AGeV
◦ ストレンジネスの増加、核子のターゲット中での全停止の観測、新粒子の発見
◦ √sNN= 17AGeV
◦ クオークグルーオンプラズマ(QGP)の探索、様々な探索子の測定
◦ √sNN=7.7, 11, 19, 27, 22, 39, 62, 130, 200, Au+Au, Cu+Cu, d+Au
◦ クオークグルーオンプラズマの発見
◦ ハード散乱からのチャームやボトムクオーク、単光子の測定、熱的光子も測定
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Long Island, New York
PHENIX
STAR
Axial Field
High Resolution & Rates
2 Central Arms, 2 Forward Arms
TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID
Solenoidal field
Large Solid Angle Tracking
TPC’s, Si-Vertex Tracking
RICH, EM Cal, TOF
Leptons, Photons, and Hadrons in selected solid angles
(especially muons)
•First Heavy Ion collider
•3.83 km circumference
•106 ns bunch crossing
•Top Energy:
•500 GeV for p+p
•200 GeV for Au+Au
•Luminosity
•Au+Au: 2 x 1026 cm-2 s-1
• p+p : 2 x 1032 cm-2 s-1
(polarized)
Measurements of Hadronic observables using a
large acceptance spectrometer
Simultaneous detection of phase transition phenomena
(e– coincidences)
Event-by-event analyses of global observables,
hadronic spectra and jets
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8

重心系エネルギー√sNN=200GeVにおける、金・金衝突のイベントディスプレー

いくつかの測定結果により、この衝突系において、クオーク・グルーオン物質が生
成されていることが確認された
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9
KEK 板倉さんのスライドを拝借
低エネルギー実験（Landau描像）
高エネルギー実験（Bjorken描像）
すり抜ける
止まる
高温、高密度
高温、低密度
進行方向と垂直方向に膨張
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
KEK 板倉さんのスライドを拝借
y: ラピディティ:

正味のバリオン数
AGS
衝突点から放出される粒子
に関して、
y = ½ ln{(t+z)/(t-z)}
SPS
で表される量。ここで、
tは静止系での時刻、
zはビーム入射軸。
t
t=z
y=0
y=1
y=2
RHIC 62
(BRAHMS preliminary)
RHIC 200
z(ビーム入射方向）
ビームのエネルギー損失
25TeV!
LHC 5500
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
横運動量（pT）：重心系で原子核同士の
衝突を見たとき、ビーム入射方向と垂直
方向の運動量成分。
p
T
p
T


核子衝突回数: 核子衝突回数は、一回
の原子核同士の衝突で起こった、核子同
士の衝突回数を表す。高エネルギー重イ
オン衝突では、原子核中の核子は各々
独立に衝突すると考えられている。
b


 b
 b 
TAB (b)   TA ( s  )TB ( s  ) ds
2
2
Overlap Function
衝突中心度（Centrality）：衝突係数に
相当する量。パーセンテージの低いほう
が、より衝突係数が小さく中心衝突であ
り、パーセンテージの高いほうが、衝突
係数が大きく周辺衝突であるという。
◦ 0%は衝突係数0に相当し、100%は非弾性散
乱が始まる最大の衝突係数に相当する。
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中心度0%
中心度100%
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Gluon Plasma
QGP phase
Mixed phase Hadronization + Expansion

金原子核がお互いの間をすり抜ける

グルーオン物質が何らかの不安定性によっ
て、熱平衡過程に移り、グルーオンプラズマ
できる
◦ 運動量の高いパートンはそのまま飛び去
◦ 中心ラピディティ領域では、運動量の低いパー
トン（ほとんどがグルーオン）が残る
◦ グルーオン物質の生成
◦ グルーオン クオーク・反クオーク対  QGP

QGPが冷え、QGPとハドロンの混合相を経
て、ハドロン相へと移行する

大まかな指標
◦ エネルギー密度: 5.7GeV/fm3 @ Au+Au
sNN=200GeV （理論予測では、2GeV/fm3
で相転移）
◦ 温度： T=178MeV (閾値)
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
温度およびバリオン化学ポテンシャル（核子密度に相当）を測定
◦ 生成粒子数の比より推定: Grand Canonical Stat Model
スピン自由度
化学ポテンシャル i
b: バリオン, I3: アイソスピン
S: ストレンジネス, C: チャーム
粒子数: ni
See, e.g., A. Andonic, P. Braun-Munzinger,
J. Stachel, NPA 772(2006)167
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 重心系エネルギーを変化させることより、
探索できる温度とバリオン化学ポテン
シャル領域（核子密度に相当）が変わる
 値は、通った相転移点に相当
NPA772(2006)167
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
エネルギー・温度の揺らぎの増加  比熱の大きな変化

粒子数の揺らぎの増加  圧縮率の変化
◦ e.g., M. Stephanov, K. Rajagopal and E. Shuryak, PRD 60,114028
(1999)
◦ M. Asakawa, U. Heinz and B Mueller, PRL 85, 2072 (2000), B.-J.
Schaefer and J. Wambach, PRD 75, 085015 (2007).
Given quark susceptibility, cq
cq = <q†q> = ∂n(T,)/∂, kT = cq(T,)/n2(T,)
T  Tc 
kT  (
)
TC
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
背景輻射の温度非一様性
（揺らぎ）
◦ 宇宙論パラメータのインプット
となっている

宇宙の相転移時（宇宙の晴
れ上がり）の痕跡を残す
From NASA and Rev. of Part. Phys.
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
永宮先生がRHIC計画当初
に作成された、相転移時の
各物理量の振る舞い

ほとんどの物理量は、RHIC
において測定された
◦ しかし、臨界点を通過したと思わ
れる、物理量の突然の大きな変
化いは見られていない

この探索子リストにない、
RHICで発見された新たな観
測量:
◦
◦
◦
◦
主に、高横運動量領域
ハード散乱された直接光子
ジェットの収量抑制
高横運動量ハドロンの多粒子相
関、光子ーハドロン相関
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
臨界点探索は古くて新しい実験
◦ ただし、非常に難しい
◦ ピンポイントで見つけるのはほぼ不可能

Going up and coming down in
s made a job
RHICで新たに見つかった探索子に関し
て、低エネルギーでどのように見えるか
を調べるのは面白い。

ジェットのエネルギー損失の系統的測定

粒子フローのスケーリング則

熱的実光子、仮想光子を用いた系の温
度測定
◦ Thermal photons, di-electrons

意外と見落とされるベースラインの測定
◦ p＋pはベースラインを与え、p+Aは低温
核物質効果の見積もりを与える
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
RHIC Year-5

RHIC Year-10

RHIC Year-11
◦ Cu+Cu 22.5GeV 2.7/ub
◦ Cu+Cu 62.4GeV 0.19/nb
◦
◦
◦
◦
Au+Au
Au+Au
Au+Au
Au+Au
62.4GeV 0.11/nb
39GeV 40/ub
7.7GeV 0.6/ub
11.5GeV (STARのみ）
◦ Au+Au 19.6GeV 13M events
◦ Au+Au 27GeV 7.4/ub
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
ビームエネルギー
が10GeV以下は、
ビーム減速になる

低エネルギービー
ム用の加速器磁石
は低い電流領域で
質が下がる.

5GeV以下では、
ビームバンチ間の
スキャッタリングが
起き、ストア時間は
30分以下程度と、
短くなる
For beam energies from 8.6-16.7 GeV:
Slide by T. Satogata
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Event rates are estimated using the following method:
1. Use the measured BBCLL1 rates for Au+Au at 9.2 GeV, 19.6 GeV, and
130 GeV to anchor the estimates
2. Using guidance provided by T. Satogata from C-AD, above injection
energy, scale the RHIC rate by sNN(3/2), which is equivalent to scaling by
(1/3).
3. Below injection energy, scale the RHIC rate by sNN, which is equivalent to
scaling by (1/2).
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2424

イベントトリガー効率

原子核のフェルミモーションのお陰で、散乱核
子がBBCのアクセプタンスに入っている
◦ Beam-Beam Counter (BBC) は 3.1<|y|<3.9
◦ ビームラピディティに近くなり、効率が落ちる性
◦ BBCのトリガー効率は9 GeV で 75-85%.

ただし、バックグラウンドは少々大きい

問題は衝突中心度の定義
◦ トリガー効率が上昇したのは、フラグメント領域の
粒子を捕まえているため
◦ BBCの信号と衝突中心度を関係づけるシミュレー
ションが必要
PHOBOS, PRL102, 142301(2009)
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PHENIX

反応関与核子（衝突中心度より算出）あたりの生成粒子数増加
の傾向が7.7GeV から2.76TeVに至るまでほぼ同じ
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
全粒子の横運動量と質量エネルギーの和を計算

生成物質の全エネルギー密度は重心系エネルギーと共に増加

生成粒子あたりの全エネルギーは、ある一定の重心系エネルギー以上で、
飽和している
生成粒子あたりの全エネルギー[GeV]
全エネルギー密度 [GeV/fm2/c]
◦ 相転移（クオークグルーオン物質から原子核物質へ）の直後に、エネルギー凍結
◦ 相転移直後の状態を観測している。
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
STAR collaboration, PRC72, 044902 (2005)

今のところ、大きな揺らぎの変化は見られない
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
非中心衝突においては、衝突領域が非等方
◦ 熱平衡に達していれば、この非等方性が、横運動
量の非等方性を生む
Spatial asymmetry
y2 - x 2
eccentricity e = y 2 + x 2
Mom. Asymmetry
py2 - px2
elliptic flow v2 = p 2 + p 2
y
x

粒子の放出角分布を反応面に対して測定し、
フーリエ展開する。
d 3N
µ [1 + 2v2 ( pT )cos 2(j - f RP ) + ...]
pT dpT dydj

二次の係数が楕円性フローの強度を示す
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Larger pressure
gradient in plane
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√sNN>~20GeVで、値が飽和しかけている。また衝突領域の非等方性から
期待される運動量の非対称性にほぼ一致し、局所熱平衡の示唆
STAR, PRC66(2002)34904
運動量非等方性と領域非等方性の比

Area density
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
200 GeV
バリオンとメソンのフロー
の解析により、粒子フロー
がクオークの単位でスケー
ルすることが観測された
Baryons
◦ KET= (M02+pT2)1/2 - M0
◦ nq: 包含クオーク数

39GeV, 62GeV,
200GeV のいずれにおい
ても観測された
Phys. Rev. Lett.
98, 162301
(2007)
Mesons
◦ 系が局所熱平衡を持ってい
ることを確認
PHENIX Preliminary
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PHENIX Preliminary
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
系をすり抜けてくる探索子のエネルギー分布を調べる
◦ 強い相互作用が介在する系では、電磁プローブ
◦ 光子： Tave = 221  19stat  19syst MeV (Minimum Bias)
PRL104,132301(2010), arXiv:0804.4168
Au+Au
Tc~170MeV from lattice QCD
Theory calculations:
d’Enterria, Peressounko, EPJ46, 451
Huovinen, Ruuskanen, Rasanen, PLB535, 109
Srivastava, Sinha, PRC 64, 034902
Turbide, Rapp, Gale, PRC69, 014903
Liu et al., PRC79, 014905
Alam et al., PRC63, 021901(R)
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3/30/2012
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ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
34


Hard scattering process at high Q 2, where (Q2) is small, is well
described by NLO pQCD calculation
Unique Signature at high energy: Hard scattering cross-section is large
◦ Jet and Direct photon
◦ Heavy Quark production: Charm(onium), Bottom(onium)
C
P1

P2
f aA ( x1 )
x2P2
f bB (x 2 )
D
x1P1
dij
dtˆ
C /c
c
X
d
D
D/d

ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
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Thermal region
Perturbative QCD
doesn’t work
Hard region
Perturbative QCD
works
•Interaction is non-perturbative in the low energy region
•Hard to understand  QGP is a strongly interacting lab at
various s
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

Parton may change its momentum in hot dense medium
◦ Energy loss through Gluon radiation, etc.
But! reconstruction of Jet in Au+Au is difficult
◦ Because of…this!
Cross section in A+B collisions
 AB  p+p collisions
Rcone
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
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
We look at or trigger leading particle of Jet
◦ A measure of Jet momentum
Angle correlation, Energy, momentum, etc. may reflect Jet kinematics
Fragmentation:
z
High pT 0
phadron
p parton
0 without energy loss
Yield [GeV-1c]

0 with energy loss
Energy loss =Yield suppress
pT [GeV/c]
Wang,
PRC 58
3/30/2012
ハドロンセミナー@J-ParcX.-N.,
坂口貴男
(1998)2321
38


Shown is the ratio of 0 yield in Au+Au to the one scaled
from p+p
◦ If no initial or final state effect, the ratio should be 1.
A big discovery in RHIC Year-1 (sNN=130GeV)
◦ The ratio was significantly below 1
RAA
 Maybe energy loss of partons
◦ At CERN-SPS, the ratio is above 1.
 Initial multiple scattering of partons(Cronin effect)
 d 3N 
 3
 dp  AA

 d 3 
TAA   3 
 dp  pp

PRL 88, 022301 (2002)
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
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Medium Peripheral
Central
No transition away from suppression seen at 39GeV yet
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
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
高エネルギー重イオン反応は原子核相図を探る、非常に強
力な研究手法
◦ 重心系エネルギーの変化により、様々な温度と核子密度の領域を探る
ことが可能。
◦ 系の状態の評価は、粒子フローや、揺らぎ、光子による温度測定など
◦ RHIC加速器は、エネルギー変化に対して柔軟である。

過去に行われた低い重心系エネルギーでの実験では、統計
量が足りないために、諦めてきた探索子がある
◦ 高輝度ビームによる実験を行うことによって、新たな探索子を利用可能
 J-PARC: √sNN=7.5-10GeV (30-50A GeV Incident)
 探索子：熱光子、チャームハドロンなど
◦ 過去に測った量も測定をする必要がある
 揺らぎや温度、科学ポテンシャルなど
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
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
Production Process
Photon Production: Yield  s
◦ Compton and annihilation (LO,
direct)
◦ Fragmentation (NLO)
◦ Escape the system unscathed


Carry dynamical information
of the state
e-
Temperature, Degrees of
freedom
e+
*
◦ Immune from hadronization
(fragmentation) process at leading
order
◦ Initial state nuclear effect
 Cronin effect (kT broardening)

ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
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
Au+Au = p+p x TAB holds – pQCD factorization works

NLO pQCD works.  Non-pert. QCD may work in Au+Au system
Blue line: Ncoll scaled p+p cross-section
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
43


熱的光子の測定
WA98 (SPS)において低エネルギー光子が測定されたが、
ハード散乱光子の測定結果がなかったために、低エネル
ギー光子が熱的光子なのか、もしくはkT-smearingによる
ものなのか、区別がつかなかった
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
44

Depending the process of photon production, angular distributions
of direct photons may vary

Jet-photon conversion, in-medium bremsstrahlung (v2<0)
◦ Turbide, et al., PRL96, 032303(2006), etc..
Curves: Holopainen, Räsänen,
Eskola., arXiv:1104.5371v1
jet photon
conversion
Bremsstrahlung
(energy loss)
v2 < 0
thermal
Thermal
photons
diluted by
prompt
v2 > 0
jet
For prompt photons: v2~0
Turbide et al., PRC77, 024909 (2008)
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
45

QGP相が発生して、(反)チャームクオーク
の周りに他の軽いクオークが入り込んでく
ると、チャーム・反チャーム束縛状態であ
るJ/粒子がとける(生成が抑制される)
◦ チャームクオークの持つカラーが遮蔽されるため
に束縛が解かれる。
◦ プラズマのデバイ遮蔽効果と同様。
c
c
Perturbative
Vacuum
通常の真空
NA50 Collaboration,
PLB477(2000)28
横軸をエネルギー密度
に取り、縦軸に実際の
収量とQGP相が発生し
ないときの予想収量の
比をプロットしたもの。
高いエネルギー密度に
おいて、測定収量は予
想より低くなっている。
c
c
QGP相
Color Screening
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
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
J/の抑制の中心度依存性は、39GeVから200GeVまでほぼ同じ

系のJ/に対する平均自由行程がほぼ同じ？
Rapidity 1.2 <|y| <2.2
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
47

高ラピディティ領域では、反陽子・陽子比が減少

高核子密度領域へのアプローチの一つとなり得る
◦ バリオン化学ポテンシャルが高い 高核子密度
◦ RHIC BRAHMS実験が測定
BRAHMS, PRL90, 102301 (2003)
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
48

Strong gluon field (Glasma) preceded by CGC + fluctuation

Strong color-electric and magnetic field in a flux tube

May play an important role on rapid thermalization

Is there any way to detect Glasma state?
◦ extended in z-direction
◦ Photons from early stages, i.e., high rapidity?
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
49

Forward direct photons shed light on time evolution
scenario
◦ Real photons, *->ee, *->
T. Renk, PRC71, 064905(2005)
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
50

2018年以降のPHENIX実験のアップグレード（改装）計画を策定中
◦ DOEにより$20Mの初期投資資金を利用
◦ ６月にMid-Rapidityの測定器を設計 (EMCal + Solenoid Magnet + HCal)
◦ ９月にForward-rapidityの測定器を設計 (Spin & HI (cold and hot))
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
51

高エネルギー重イオン反応は、原子核相図の探索の
上で、とても強力な手段

高輝度ビームが得られるJ-Parcにて、高エネルギー
重イオン実験を行う意義は大きい。

ただし、J-ParcエネルギーでQGPが生成されていない
可能性もあるので、いくつかの面白い物理を考えてお
く必要もある。
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
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ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
3/30/2012
53

Charged hadron results and some pion/proton ratio results

Might be an idea to extend our measurement to 0/direct
photons/dileptons
BRAHMS, PRL91, 072305(2003).
3/30/2012
ハドロンセミナー@J-Parc 坂口貴男
BRAHMS, PLB 684(2010)22.
54

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