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高エネルギー重イオン反応による原子核相図の探索

高エネルギー重イオン反応による原子核相図の探索. 米国ブルックヘブン国立研究所 (BNL) 坂口貴男. 高エネルギー重イオン反応の目的. 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. 重イオン反応による原子核相図の探索. 原子核に相があるのならば、臨界点が存在するはず

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高エネルギー重イオン反応による原子核相図の探索

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  1. 高エネルギー重イオン反応による原子核相図の探索高エネルギー重イオン反応による原子核相図の探索 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

  2. 高エネルギー重イオン反応の目的 • 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 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  3. 重イオン反応による原子核相図の探索 • 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 decreasing √sNN ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  4. 臨界点探索の基本的な考え方 • 物理測定量の急激な変化ー＞相転移であろう • K/π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 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  5. What is good and what is bad? ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  6. 重イオン衝突実験の概要 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  7. 高エネルギー重イオン実験の歴史 • 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) • √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 • SPS (CERN 1990-2000) • √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 • RHIC (BNL: 2000-)：史上初の衝突型重イオン加速器 • √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 • LHC（CERN: 2009-): √sNN=2.76TeV ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  8. STAR Solenoidal field Large Solid Angle Tracking TPC’s, Si-Vertex Tracking RICH, EM Cal, TOF PHENIX Axial Field High Resolution & Rates 2 Central Arms, 2 Forward Arms TEC, RICH, EM Cal, Si, TOF, -ID Measurements of Hadronic observables using a large acceptance spectrometer Event-by-event analyses of global observables, hadronic spectra and jets Leptons, Photons, and Hadrons in selected solid angles (especially muons) Simultaneous detection of phase transition phenomena (e–m coincidences) RHIC加速器実験 Long Island, New York • 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) ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  9. イベントディスプレー • 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 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  10. 高エネルギー実験　（Bjorken描像） すり抜ける 高温、低密度 進行方向と垂直方向に膨張 重イオン衝突の実際 KEK 板倉さんのスライドを拝借 低エネルギー実験　（Landau描像） 止まる 高温、高密度 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  11. t=z y=0 y=1 y=2 t AGS z(ビーム入射方向） SPS RHIC 62 (BRAHMS preliminary) RHIC 200 LHC 5500 測定結果による重イオン衝突の実際 KEK 板倉さんのスライドを拝借 正味のバリオン数 • y: ラピディティ: • 衝突点から放出される粒子に関して、 y = ½ ln{(t+z)/(t-z)} 　　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。 ビームのエネルギー損失 25TeV! ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  12. pT pT 中心度0% 中心度100% 重イオン反応におけるいくつかの量 • 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。 • 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。 • 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。 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  13. 衝突後のダイナミクス • 金原子核がお互いの間をすり抜ける • 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 • 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) Gluon Plasma QGP phase Mixed phase Hadronization + Expansion ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  14. 相図探索のための準備 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  15. 相図における系の“位置”を知る • 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 mi mb: バリオン, mI3: アイソスピン mS: ストレンジネス, mC: チャーム 粒子数: ni See, e.g., A. Andonic, P. Braun-Munzinger,J. Stachel, NPA 772(2006)167 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  16. 重心系エネルギーの変化の影響 • 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 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  17. 臨界点での振舞い • エネルギー・温度の揺らぎの増加  比熱の大きな変化 • e.g., M. Stephanov, K. Rajagopal and E. Shuryak, PRD 60,114028 (1999) • 粒子数の揺らぎの増加  圧縮率の変化 • 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,m)/∂m, kT= cq(T,m)/n2(T,m) ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  18. 観測宇宙論との類似性 • 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. ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  19. 観測量について • 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 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  20. 原子核相図の探索は新しい実験か？ Going up and coming down in s made a job • 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 • 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 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  21. 実験遂行に関して ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  22. RHICにおける低エネルギーランの統計 • RHIC Year-5 • Cu+Cu 22.5GeV 2.7/ub • Cu+Cu 62.4GeV 0.19/nb • RHIC Year-10 • Au+Au 62.4GeV 0.11/nb • Au+Au 39GeV 40/ub • Au+Au 7.7GeV 0.6/ub • Au+Au 11.5GeV (STARのみ） • RHIC Year-11 • Au+Au 19.6GeV 13M events • Au+Au 27GeV 7.4/ub ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  23. RHIC加速器の状況 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 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男 23

  24. Rate Estimates for the low energy scan • Event rates are estimated using the following method: • Use the measured BBCLL1 rates for Au+Au at 9.2 GeV, 19.6 GeV, and 130 GeV to anchor the estimates • 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 g(1/3). • Below injection energy, scale the RHIC rate by sNN, which is equivalent to scaling by g(1/2). ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男 24

  25. 低エネルギー衝突における問題点 • イベントトリガー効率 • 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 • 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 • 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) ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  26. いくつかの測定結果 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  27. 反応関与核子数と生成粒子数の関係 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 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  28. 衝突系の評価：エネルギー密度 • 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 • 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。 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] ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  29. 衝突系の評価：運動量揺らぎ • 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 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  30. Spatial asymmetryeccentricity Mom. Asymmetry elliptic flow 衝突系の評価：　粒子フロー (v2) • 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 • 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。 • 二次の係数が楕円性フローの強度を示す Larger pressure gradient in plane ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  31. 粒子フローのエネルギー依存性 STAR, PRC66(2002)34904 • √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 運動量非等方性と領域非等方性の比 Area density ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  32. 粒子フロー　さらに詳細な解析 • 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 • 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 • 系が局所熱平衡を持っていることを確認 PHENIX Preliminary PHENIX Preliminary 200 GeV Baryons Phys. Rev. Lett. 98, 162301 (2007) Mesons ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  33. 衝突系の評価：温度 • 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) ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  34. RHICで観測された新たな探索子 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  35. C P1 x1P1 c X x2P2 P2 d ハード散乱された粒子（ハドロン、光子） • Hard scattering process at high Q2, 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) ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  36. We will look at these regions at RHIC Hard region Perturbative QCD works Thermal region Perturbative QCD doesn’t work • Interaction is non-perturbative in the low energy region • Hard to understand  QGP is a strongly interacting lab at various as ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  37. 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! Hard scattering in a dense medium Cross section in A+B collisions  AB  p+p collisions ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  38. We look at or trigger leading particle of Jet A measure of Jet momentum Angle correlation, Energy, momentum, etc. may reflect Jet kinematics Fragmentation: 0 without energy loss 0 with energy loss Yield [GeV-1c] Energy loss =Yield suppress pT [GeV/c] X.-N., Wang, PRC 58 (1998)2321 Instead.. High pTp0 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  39. Discovery: high pThadron suppression • 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 • Maybe energy loss of partons • At CERN-SPS, the ratio is above 1. • Initial multiple scattering of partons(Cronin effect) ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男 PRL 88, 022301 (2002)

  40. Au-Au at various energies Central Medium Peripheral No transition away from suppression seen at 39GeV yet ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  41. これまでのまとめと、今後の展望 • 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

  42. 電磁プローブの測定（光子） Photon Production: Yield  s • Production Process • Compton and annihilation (LO, direct) • Fragmentation (NLO) • Escape the system unscathed • Carry dynamical information of the state • Temperature, Degrees of freedom • Immune from hadronization (fragmentation) process at leading order • Initial state nuclear effect • Cronin effect (kTbroardening) e+ g* e- g ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  43. Blue line: Ncoll scaled p+p cross-section 重イオン衝突におけるハード散乱光子の測定 • Au+Au = p+px TAB holds – pQCD factorization works • NLO pQCD works. Non-pert. QCD may work in Au+Au system ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  44. RHIC以前の重イオン実験における光子測定 • 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

  45. jet photon conversion Thermal photons Bremsstrahlung (energy loss) v2 > 0 jet v2 < 0 光子のフロー（v2）~光子の起源の探索~ • 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 thermal diluted by prompt 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

  46. J/粒子(M=3.1GeV/c2)の測定 • 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。 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。 QGP相 ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  47. J/yRcpのエネルギー依存性 • J/yの抑制の中心度依存性は、39GeVから200GeVまでほぼ同じ • 系のJ/y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

  48. もう一つの自由度：ラピディティー • 高ラピディティ領域では、反陽子・陽子比が減少 • 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 • 高核子密度領域へのアプローチの一つとなり得る BRAHMS, PRL90, 102301 (2003) ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  49. CGC -> Glasma -> QGP, how? • Strong gluon field (Glasma) preceded by CGC + fluctuation • Strong color-electric and magnetic field in a flux tube • extended in z-direction • May play an important role on rapid thermalization • Is there any way to detect Glasma state? • Photons from early stages, i.e., high rapidity? ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

  50. T. Renk, PRC71, 064905(2005) Rapidity dependence ~system expansion~ • Forward direct photons shed light on time evolution scenario • Real photons, g*->ee, g*->mm ハドロンセミナー@J-Parc　坂口貴男

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