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RHIC 加速器 PHENIX 実験における最近の発見 セミナー 於 京都大学大学院理学研究科

RHIC 加速器 PHENIX 実験における最近の発見 セミナー 於 京都大学大学院理学研究科. 2005 年 11 月 25 日 広島大学大学院理学研究科 志垣賢太. 15 by. 生命誕生： 現在. 銀河・天体の生成. 1 by. 原子の生成. 10 12 s. 原子核の生成. 10 2 s. クォークの閉込 反クォークの消滅 クォークの生成. 10 -6 s. インフレーション. 10 -35 s. 0.00 s. 宇宙開闢 （ビッグバン）. 宇宙の歴史と量子色力学. クォーク物理学の主要な動機. 極初期宇宙状態

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RHIC 加速器 PHENIX 実験における最近の発見 セミナー 於 京都大学大学院理学研究科

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  1. RHIC 加速器 PHENIX 実験における最近の発見セミナー 於 京都大学大学院理学研究科 2005 年 11 月 25 日 広島大学大学院理学研究科 志垣賢太

  2. 15 by 生命誕生： 現在 銀河・天体の生成 1 by 原子の生成 1012 s 原子核の生成 102 s クォークの閉込 反クォークの消滅 クォークの生成 10-6 s インフレーション 10-35 s 0.00 s 宇宙開闢 （ビッグバン） 宇宙の歴史と量子色力学 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  3. クォーク物理学の主要な動機 • 極初期宇宙状態 • 宇宙開闢 （ビッグバン） から 10-5秒以内の物質状態 • 宇宙の進化と相互作用の分化 • パートンと強い相互作用の基本的性質 • なぜ閉じ込められているのか？ • どうしたら開放できるのか？ • 閉込から開放されたパートン物質の性質？ • 物質質量の起源 • 2段階の質量発現機構 • ヒッグス機構による素粒子質量 • カイラル対称性の破れによるハドロン質量 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  4. 理論的基盤： 摂動論的量子色力学 • 高温状態におけるハドロン物質 • T < Tc～ mpでは p粒子生成にエネルギー分配 • T > Tcでは p粒子密度上昇により色デバイ遮蔽 • 離散的数値計算 （格子量子色力学） • クォーク自由度が顕在化する物質相への転移を予言 Karsch, Lect. Notes Phys. 583 (2002) 209 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  5. クォークの閉込／（再）開放の物理的意義 • 極初期宇宙状態 （リトルバン） • 宇宙開闢 （ビッグバン） から 10-5秒以内の物質状態 • パートンと強い相互作用の基本的性質 • 極限状態の QCD • 高エネルギー密度 （温度） 極限 • 高原子核物質密度極限 • 閉込から開放されたパートン物質の探索と性質探求 • 量子色力学 （QCD） 相転移 →クォーク・グルーオン・プラズマ （QGP） 相 • 物質質量の起源 • カイラル対称性の破れによるハドロン質量 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  6. 極初期宇宙状態の実験的再現 • 高エネルギー原子核衝突実験： 「リトルバン」 実験 • 原子核の運動エネルギーを内部エネルギーに転化 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  7. 高エネルギー原子核衝突 極初期宇宙 高エネルギー原子核衝突実験の物理学 • Bevalac/SIS/AGS/SPS から RHIC/LHC へ • 高密度領域から高温領域へ • 宇宙開闢から 10-5秒以内の物質状態の再現 パートン非閉込相 （クォーク・グルーオン・プラズマ） エネルギー密度 （温度） 臨界点 臨界温度 ～ 170 MeV 色超伝導 ハドロン気体 色 ‐ フレーバー・ロッキング 中性子星？ 原子核 バリオン密度 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  8. 高エネルギー原子核衝突の時空発展 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  9. 時空発展と観測量 • 高エネルギー原子核衝突の時空発展 • 初期クォーク・反クォーク・グルーオン衝突 • クォーク対 + グルーオン （多重） 生成 • クォーク非閉込相の熱平衡化 • クォーク・グルーオン・プラズマ相 = QGP相 • ハドロン生成 （クォークの閉込） • 非弾性衝突 （粒子生成比の化学平衡化） • 弾性衝突 （粒子運動量分布の熱平衡化） • 直接測定可能な量 • 終状態のハドロン・レプトン・光子の 4元運動量分布 • 全時空発展段階からの生成粒子の積分 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  10. 高エネルギー原子核衝突実験の舞台 • 高エネルギー原子核加速器 • ブルックヘブン国立研究所 （BNL） • 米国ニューヨーク州 • AGS加速器 （11 A GeV 197Au +固定標的） • RHIC加速器 （100 + 100 A GeV 197Au + 197Au） • 2000年実験開始； 稼働中 • 欧州合同原子核研究機構 （CERN） • スイス・ジュネーブ／フランス国境地域 • SPS加速器 （200 A GeV 208Pb +固定標的） • LHC加速器 （2.8 + 2.8 A TeV 208Pb + 208Pb） • 2007年実験開始予定 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  11. ブルックヘブン国立研究所 （ニューヨーク） RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  12. 2 つの独立な超伝導シンクロトロン加速器 周長 3.83 km の半地下トンネル内に設置 非対称を含む多様なハドロン衝突が可能 197Au までの原子核 （最大 100 A GeV） （偏極） 陽子 （最大 250 GeV） 6 つの衝突点； 4 つの相補的実験 BRAHMS/PHENIX/PHOBOS/STAR 相対論的重イオン衝突型加速器 RHIC RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  13. 次世代ハドロン衝突型加速器 (LHC) RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  14. RHIC加速器以前の実験による教訓 • 高エネルギー原子核反応の理解には複眼が必須 • ハドロン： （低横運動量領域） 運動学の束縛条件の情報 （高横運動量領域） 生成媒質通過時の情報 • 光子： 衝突系の時空発展の追跡情報 • レプトン： 反応初期高温段階の情報 • 反応初期段階の情報が特に重要 • J/Y中間子 “異常” 抑制 • NA50; Pb+Pb;強い相互作用の色価デバイ遮蔽？ • 中間不変質量 m+m-対増加 • NA50; S+U, Pb+Pb;チャーム・クォークの生成増加？ • 低不変質量 e+e- 対増加 • NA45 (CERES); S+Au, Pb+Au;r の増加／融解？ RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  15. Pioneering High Energy Nuclear Interaction eX. • 多様な測定により多数の物理過程を測定 • ハドロン, レプトン, 光子の同時測定 • 希事象の測定に重点 • 高頻度データ測定・収集能力 • 多段階の事象選択トリガ • 高精度測定 • 高精度の粒子識別 • 高分解能 4元運動量測定 • 広範囲の運動学領域を網羅 • 2000年夏実験開始； 現在 6回（年）目の立上中 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  16. PHENIX実験の物理戦略 • すべての時間段階から可能な限り多種の信号を • 反応初期段階からの情報を特に重視 • 初期衝突起源 （パートン非閉込相を通過） • 高横運動量粒子 （ハドロン・ジェット, ハドロン, 光子） • 重いクォーク （c, b） を含む粒子 • 重いクォーク対の束縛状態（J/Y, Y’, ） • パートン非閉込相起源 • 軽いベクトル中間子 （f, w, r） • 熱輻射 （光子, レプトン対） • パートン起源の集団的運動 • パートン運動学の境界条件 • ハドロン相起源 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  17. PHENIX 検出器系 • 衝突反応検出系 • ビーム／ビーム検出器, 前方カロリメータ, 他 • 荷電粒子飛跡検出系 • ドリフト・チェンバ, パッド・チェンバ, 他 • m飛跡チェンバ • 電磁エネルギー計測／電磁粒子識別系 • 電磁カロリメータ • 粒子識別系 • 飛行時間検出器, リング・イメージング型チェレンコフ • m同定チェンバ RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  18. RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  19. RHIC 加速器と PHENIX 実験の軌跡 run year species sNNLdtLNNdt 012000 Au+Au 130 GeV 1 mb-1 0.04 pb-1 02 2001/02 Au+Au 200 GeV 24 mb-1 1.0 pb-1 p+p 200 GeV 150 nb-1 0.15 pb-1 03 2002/03 d+Au 200 GeV 2.7 nb-1 1.1 pb-1 p+p 200 GeV 350 nb-1 0.35 pb-1 04 2003/04 Au+Au 200 GeV 240 mb-1 10.0 pb-1 Au+Au 62 GeV 9 mb-1 0.36 pb-1 05 2004/05 Cu+Cu 200 GeV 3 nb-1 11.9 pb-1 Cu+Cu 62 GeV 190 mb-1 0.8 pb-1 Cu+Cu 22.5 GeV 2.7 mb-1 0.01 pb-1 p+p 200 GeV 3.8 pb-1 3.8 pb-1 since 2002/2003 2001/2002 2000 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  20. PHENIXが観測する衝突事象の様子 • sNN = 200 GeVのAu+Au中心衝突事象における荷電粒子生成数 ～ 5,000 • 衝突初期の情報を伝える粒子はごく一部 Au+Au at sNN =200 GeV d+Au at sNN =200 GeV RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  21. クォーク物質の情報を伝えるプローブ (1) • 初期パートン衝突起源の現象 → パートン非閉込相通過による （間接的） 影響 • 高い横運動量を持つパートン → ハドロン 「ジェット」 • 重い（反）クォーク （c = チャーム, b = ボトム） → 重いクォークを含む中間子 → 重いクォーク・反クォーク対から成る中間子 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  22. クォーク物質の情報を伝えるプローブ (2) • パートン非閉込相起源の （直接的） 現象 • パートンの集団的運動 → ハドロンの集団的運動 • カイラル対称性の回復 → ハドロンの質量状態 （レプトン崩壊経由） • パートンの熱平衡状態 → 熱輻射光子 → 熱輻射レプトン対 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  23. ハドロン 「ジェット」 の抑制 • ジェット = 高い横運動量を持つハドロン群 • 初期衝突で強く弾かれたパートンが起源 • パートン非閉込相中では： • パートンの大きなエネルギー損失  高横運動量ハドロン／ジェットの抑制・消失  高横運動量ハドロン／ジェットの角相関の変化 高い横方向運動量を持つハドロン ハドロン群 （ジェット） クォーク （反）クォーク ハドロン群 （ジェット） 高い横方向運動量を持つハドロン RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  24. binary collision scaling based on extrapolated UA1 p+p data -- RHIC 1年目 (2000) : 発見 • Au+Au中心衝突事象で高横運動量ハドロン抑制 Au+Au at sNN = 130 GeV PHENIX PRL 88, 022301 (2002) RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  25. 原子核効果係数 RAB • 原子核効果がなければ： • 低横運動量 （= ソフトな） 領域では RAB < 1 • 高横運動量 （= ハードな） 領域では RAB = 1 • “抑制” (増加)： • 高横運動量領域で RAB < 1 (> 1) RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  26. RAA ジェット抑制の衝突中心度依存性 • 周辺衝突では核子間二体衝突数スケーリング成立 • 中心衝突ではジェット抑制～ 5 Au+Au at sNN = 200 GeV PHENIX PRL 91, 072301 (2003) RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  27. RHIC 3 年目 (2002-03) : 対照実験 • 低温原子核物質による媒質効果の定量化 • 始状態効果と終状態効果の識別 • “始状態／終状態” = “初期” パートン衝突の前／後 • ジェット生成抑制 vs（生成した） ジェットの“クエンチング” proton/deuteron+nucleus nucleus+nucleus RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  28. Au+Au衝突とd+Au衝突の比較 • d+Au衝突では高横運動量ハドロンの抑制なし • 始状態効果の可能性を否定 sNN = 200 GeV PHENIX PRL 91, 072303 (2003) RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  29. PRLの表紙を（再び）飾る d+Au測定結果 PHENIX BRAHMS PHOBOS STAR PRL 91 (August, 2003) RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  30. Au+Au 衝突と d+Au衝突の対照的振舞 • Au+Au 衝突（左）で中心度に従い 「ジェット」 抑制 • パートン非閉込相生成の有力な兆候 （！） Au+Au at sNN = 200 GeV PHENIX d+Auh+X at sNN = 200 GeV PHENIX RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  31. 「ジェット」 対の抑制 • ジェットは衝突軸から見て反対方向に対で生成 • Au+Au 中心衝突（青）で 「ジェット」 対の一方が消滅 ジェット観測方向 対のジェットが期待される方向 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  32. ジェット抑制 （クエンチング） の観測意義 • 強い終状態相互作用を伴う高温高密度物質の生成 • 終状態における （軽い） クォークのエネルギー損失 • 支配的機構： グルーオン制動放射 • クォーク物質の性質探求に向けて： • グルーオン密度と温度の定量的理解 • 「ジェット・トモグラフィ」 • エネルギーの再分配 • e.g.ジェット – 光子相関 • 重いクォークのエネルギー損失 • e.g.重いクォークを含む中間子の運動量分布 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  33. 不可思議な発見： バリオンの異常生成？ • バリオンと中間子に “異常な” 振舞いの相違 • 原子核効果係数 RAAの横運動量依存性 • パートン破砕関数では説明不能 • 集団的運動 （“楕円流”） の横運動量依存性 • ハドロン流体模型では説明不能 • RHIC加速器で初めて発見 • 質量依存性ではない； 構成クォーク数に依存？ • 陽子とほぼ等しい質量を持つ fも p, Kと同様に振舞う バリオン （反）陽子／中間子比 中間子 Au+Au at sNN = 200 GeV PHENIX PRL 91, 172301 (2003); PHENIX PRC 69, 034909 (2004) RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  34. クォーク再結合模型 • 高横運動量ハドロン生成機構 • 真空中のクォーク破砕 （既知） • パートン媒質中のクォーク再結合 （新規！） • 原子核効果係数 RAAの横運動量依存性を説明 • 集団的運動 （“楕円流”） の横運動量依存性を説明 Fries et al., nucl-th/0301087 Greco, Ko, Levai, nucl-th/0301093 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  35. パートン非閉込相の確実な検証に向けて • パートン非閉込相は発見されたか？ • “it’s a quark-gluon plasma. period.” (M.Gyulassy) • 自然な解釈は “YES” • パートン解放の直接的検出 • 重いクォークの束縛状態： J/Y, Y’  色デバイ遮蔽 • パートン物質の性質探求 • 軽いベクトル中間子の質量状態  カイラル対称性の （部分的） 回復 • 熱輻射光子  パートン熱平衡状態 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  36. 高温パートン物質の性質に対する知見 1 • so opaque to stop 20 GeV/cp0 • strong (RAA = 0.2) and flat suppression up to 20 GeV/c • common suppression for p0 and h; partonic level (!) • e > 15 GeV/fm3 • dNg/dy > 1,100 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  37. 高温パートン物質の性質に対する知見 2 • so opaque to stop heavy quarks • substantial energy loss even with charm • strong constraint on energy loss models Au+Aue at sNN = 200 GeV PHENIX preliminary theory curves: N. Armesto, et al., hep-ph/0501225 M. Djordjevic, M. Gyulassy, S.Wicks, PRL 94, 112301 (2005) RAA (2.5 GeV/c < pt< 5.0 GeV/c) RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  38. Greco,Ko,Rapp: PLB595(2004)202 高温パートン物質の性質に対する知見 3 • so strongly coupled to let heavy quarks flow • though less strong as light quarks • less flow at high pt • bottomquark contribution ? • high parton density and strong coupling supported • not a weakly coupled gas Au+Aue at sNN = 200 GeV PHENIX preliminary RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  39. 高温パートン物質の性質に対する知見 4 • so hot to copiously emit (thermal ?) photons • first promising direct photon result at low pt • thermal photons ? • direct measurement of initial temperature ? • T0 = 300 – 600 MeV !? • details later in this presentation Au+Augdirect+X at sNN = 200 GeV PHENIX preliminary RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  40. 高温パートン物質の性質に対する知見 5 • so dense to melt (?) and regenerate (??) J/y • suppression beyond cold nuclear matter effects • consistent with suppression + regeneration • a good test: J/y flow (!?) • details later in this presentation theory curves: R. Vogt et al., nucl-th/0507027 PDF: EKS98, sabs = 3mb, at y=0 and y=2 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  41. 高温パートン物質の性質に対する知見 6 • so dense to modify jet shape • mach cone ? Cerenkov ? • three-particle correlation being pursued • matter property measured from the shape ? • sound velocity • di-electric constant • potentially powerful probe: di-jet tomography Au+Au at sNN = 200 GeV PHENIX preliminary RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  42. 重いクォーク対から成る中間子の抑制 • SPSNA50による J/Y 「異常」 抑制観測 • 2000年 CERN QGP相発見宣言の最有力論拠 • しかし SPSでのQPG 相生成は未確証 • J/Y = cc, Υ = bb • 初期衝突で生成する重いクォーク対が起源 • パートン非閉込相中では： • クォーク間の色デバイ遮蔽  「融解」 • 1986年 松井・ザッツが予言 • 強く束縛した中間子ほど 「融解」 しにくい RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  43. J/Y system size dependence J/y m+m- muon arm 1.2 < |y| < 2.2 J/y e+e- central arm |y| < 0.35 sNN = 200 GeV PHENIX preliminary AuAu ee 200 GeV/c dAu mm 200 GeV/c CuCu mm 200 GeV/c AuAu mm 200 GeV/c CuCu ee 200 GeV/c RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  44. baseline: p+p and d+Au • absorption cross section: 1 – 3 mb d+AuJ/Ye+e-,m+m- at sNN = 200 GeV PHENIX nucl-ex/0507032 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  45. more than cold nuclear matter effects • suppression factor ~ 3 in central Au+Au • not enough cold nulear absorption with s = 3 mb theory curves: R. Vogt et al., nucl-th/0507027 PDF: EKS98, sabs = 3mb, at y=0 and y=2 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  46. less than models from SPS RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  47. suppression + recombination, maybe RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  48. J/Y observation status summary • suppression in central Au+Au collisions: • beyond cold nuclear matter effects • similar suppression factors as at SPS • with much higher energy and gluon densities ? • over-prediction by color screening / co-mover models • compensation between screening and recombination ? • models in reasonable agreement • ongoing/further tests of recombination • rapidity; transverse momentum; flow (!) • Υ (most likely) remains for LHC ALICE RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  49. 熱輻射光子で探る物理 • パートン熱平衡状態の直接探索 • 相転移温度以上の温度を示すボルツマン輻射？ • 到達温度と状態方程式に対する知見 • cf.熱輻射レプトン対 • （熱輻射光子と同様に） 実験的挑戦 • RHIC では不変質量 1 – 2 GeV/c2 に観測可能性 • PHENIX 検出器増強の主要目的 • cf.カイラル対称性回復の探索 • 軽いベクトル中間子 (f, w, r) • Au+Au/d+Au/p+p 衝突データの解析進行中 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

  50. 高エネルギー原子核衝突からの光子測定 • 多様な起源からの重ね合わせ • 第一の実験的挑戦： • ハドロン崩壊起源光子 vs 初期パートン衝突起源光子 • RHICPHENIX: 検出測定 RHIC加速器PHENIX実験における最近の発見／志垣賢太

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