クォークグルーオンプラズマ 　　　　　　　物性研究が開く扉

クォークグルーオンプラズマ　　　　　　　物性研究が開く扉

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鳥井　久行　 ( 東大 CNS 特任助教 )東大駒場格理論研究室セミナー2011/07/06

目次•イントロ•物性研究の実例と新発見

▫ジェットクエンチング▫粘性▫カラースクリーニング

•2020 年の 2 月に何かが起こる？•将来展望

▫初期条件測定 Low-x の物理

▫QCD 相図の完全理解へ向けて 「ルミノシティーフロンティア」実験

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RHIC からの結果 : 存在証拠

The matter may melt and/or regenerate J/y’s

The matter is dense

The matter modifies jets

The matter is hot

The matter is strongly coupled

•dense: energy loss of (even heavy) quarks▫jet quenching (high pT suppression)▫jet modification

•partonic: quarks’ degrees of freedom, screening▫constituent quark number scaling of

collective motion▫J/Y suppression

•strongly coupled: perfect fluidity▫hydro-dynamical collective motion

•hot: thermally radiative▫thermal (virtual) photons

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QGP 物性研究最前線～ LHC ～•LHC 加速器を用いた世界最高エネルギー重イオン衝突

▫2010/11/8 ： s=2.76TeV 実験開始

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•現在までに RHIC と比較して▫最大 1.5-2 倍のハドロン減衰▫3 倍の Energy Density▫2 倍の体積▫+20% の lifetime

‘Volume’at decoupling

Alice error: stat + syst

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研究の学術的背景• QGP 存在は 1980 年代から示唆。

▫QCD 物質の極限状態！▫Big Bang 直後（ 10-10 秒後）の宇宙初期の状態

• 過去 30 年に渡り加速器実験により存在が確証▫特に RHIC における、ハドロン生成の強い抑制や熱平衡状態の観測、さらに流体力学的振る舞いが強い証拠と成っている。探索にピリオドが打たれた。

• QGP 探索から QGP 物性研究へ新たなフェーズに移りつつある。

2008 年「強く相互作用する量子多体系」

2010 年 5 月刊行「サイエンスマップ 2008 」抜粋

物性研究の最先端と新発見RHIC/LHC からの最新の結果を物性研究という視点から読み解きながら紹介すると共に、新しい発見に焦点を合わせる。

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エネルギー密度測定•ジェットクエンチング

▫様々なモデル▫平均自由行程 <->L との関係の違い : thin or thick?

•Radiative or collisional energy loss▫Radiative energy loss Multiple soft scattering BDMPS (LPM) or AMY

Few hard scattering DGLV, Higher-twist framework

▫Collisional energy loss Full calculation including the running of alpha_S

▫片方だけで実験を説明することも可能。両方取り入れて比較していくのが正しいのでは？

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QM2006(Shanhai) by A. Majumder

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クエンチングモデルとの比較PHENIX, PRC77(2008)064907

GLV, AMY: T = 300-400 MeV BDMPS: T ~ 1000 MeVLarge difference in medium density:

Different calculations use different geometries – not clear what dominates

理論比較： TECHQM “Brick Problem” Models fitted to RAA

using modified c2 analysis

1s uncertainty band indicated

q0 for multiple-soft approx 4x opacity expansion (T0 factor 1.5)

See more detail: https://wiki.bnl.gov/TECHQM/(since 2008)

最新の RHIC/LHC 結果からの新発見e2 e1

E2E1

新発見３ : pQCD クエンチモデルの崩壊

新発見１ : 特異なジェットクエンチングパートンの方向は変化しないソフトなグルーオン放射ジェット化（破砕化）は真空中新発見２ : 失われたエネルギーのソフト化 ジェット外の領域（ R>0.8 ）にソフト粒子生成再加熱？マッハコーン

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新発見１：特異なクエンチ

No Stronger angular deflection!!!ソフトグルーオン

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ジェットの形は p+p と変化なし

新発見２：失われたエネルギー

• CMS• ジェットバランス平均 =0.2

▫ Leading Jet : 120GeV▫ Second Jet : 平均 80GeV

• 残り 40GeV が失われたことになる。▫半分は R>0.8 のコーン外側へ

• STAR• ジェットハドロン相関

– Leading Jet : 10GeV-20GeV– Hadron : <10GeV

• 幅– >4GeV で R<0.3 : p+p = A+A– <4GeV で R=0.8(A+A)

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新発見３： pQCD の危機14

PRL 105, 142301

pQCD

pQCD AdS/CFT

AdS/CFT

v2 not explained by pQCD (even with fluctuations & saturation)

RAA explained by both modelsTheory calculations:Wicks et al., NPA784, 426Marquet, Renk, PLB685, 270Drees, Feng, Jia, PRC71, 034909Jia, Wei, arXiv:1005.0645

v2 explained by cubic path length dependence (like AdS/CFT)

v2 data favors dE/dx ~ l3 (like AdS/CFT)

結論にはまだ早い15

粘性測定

•LHC においても完全流体：低い粘性を示す

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PRL105,252302(2010) ALICE

新発見１：マッハ構造＝ 3 次の fluctuation

Ridge and Mach cone are explained as sum of v2+v3+v4+…ホットスポットからの fluctuation の３次項（奇数項）で説明つく？

Slide from Guo-Liang Ma (with X.N.Wang)AMPT Model

ホットスポットでリッジ構造再現？18

新発見２：初期条件依存性

•Glauber & 4/s=1 を支持：初期条件の理解が重要

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Color Screening ～ Y(2S,3S)溶解～

• The data show that the 2s/3s are reduced as compared to the 1s.

新発見？： J/Y suppression and flow

Phenix mm

RAA

•LHC では RHIC より少ない減衰？？？•注意： LHC(2.5<y<4), RHIC(1.2<|y|<2.2)

• LHC(2.5<y<4) では RAA にして 0.5 程度の CNM(cold nuclear matter)効果。

• coalescence モデルの収量の増加で説明付けられるか？•J/ψ の v2 はゼロ？？？

• Coalescence モデルでは説明付く？•正しい理解のためには、 CNM effect の理解が重要！

２０２０年２月？22

1848 年 2 月、フランス２月革命。共和政の樹立、ルイ＝ナポレオンが大統領へ

SPS after ~15 years on 10.02.2000Super Proton Synchrotron (SPS) started operation in 1976 as a proton accelerator at the maximum energy of 300GeV and were gradually upgraded to a p-pbar collider, heavy nucleus accelerator, and ones with the maximum energy upto 450GeV. Various programs for heavy ion physics since mid-1980s

February in 2000

15/6/2010 23HEPQM2010@Protvino "What is learned from the startup stage at PHENIX" by Hisa

RHIC after 10 years on 15.02.2010

Again February in 2010

15/6/2010 24HEPQM2010@Protvino "What is learned from the startup stage at PHENIX" by Hisa

LHC after 10 years on xx.02.2020?Press Release from SPS on 10th February 2000Press Release from RHIC on 15th February 2010

Again February in 2020?

15/6/2010 25HEPQM2010@Protvino "What is learned from the startup stage at PHENIX" by Hisa

将来展望扉の向こうには何が？

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将来動向～初期条件～•初期条件の測定は重要： CGC•p+A 衝突＠ LHC

▫2014以降に計画▫ALICE Upgrade: 東大 CNS/広大

•eRHIC や LHeC▫RHIC や LHC に電子加速器を追加 eRHIC: 10GeV + 250GeV/nucleon xmin=10-4, Q2

max=104

早くて 2020 年 LHeC ： 50-150GeV + 2760GeV/nucleon xmin=10-6, Q2

max=106

他にも JLAB, GSI での計画▫なにせ予算が、、、 500億か 1000億

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ALICE Upgrade : Forward Calorimeter28

•“Standard” W+Si (pad/strip) calorimeter

• W thickness: 3.5 mm (1X0)• wafer size:9.3cmx9.3cmx0.525mm • Si pad size: 1.1x1.1cm2

• W+Si pad : 21 layers• 3 longitudinal segments• Summing up raw signal

longitudinally in one segment

• Single sided Si-Strip (2X0-6X0)• 2g separation, 6 inch wafer• 0.7mm pitch (128ch/wafer)

First segment Second segment Third segment

Si Strip (X-Y) Tungsten Si padCPV

将来動向～ QCD 相図の完全理解へ～

10-50GeV/c のビーム (sqrt(s)=2-10GeV ）RHIC/SPS で Low Energy Scan進行中

Phys. Rev. C77(2008)024903 NA49

FAIR Physics Book

STAR, arXiv:0808.2041

Signal of the CP??

STAR@RHIC Low Energy Scan

NA49@SPS Low Energy Scan31

NA49@SPS Low Energy Scan

•詳細は不明。 QM2011 で突然出てきた。

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重イオン加速器の世代• 第一世代

▫ 稼働： 1960 年代から▫ Fixed target at SIS-AGS-SPS▫ Lattice-QCD＝灯台に照らされて

• 第二世代▫ 提案： 1980 年台以降▫ 稼働： 1990 年以降▫ 高エネルギー＝コライダーへ

RHIC-LHC “Standard Model”=QGP の探索の終結、そして物性研究へ。

• 第三世代（将来計画）▫ 提案： 2000 年台▫ 稼働： 2020 年頃以降▫ 高インテンシティー

高密度を狙う。 10-50GeV/cビーム。 Low energy collider : NICA, RHIC Fixed target へ回帰 : SIS, JPARC “Beyond the SM” を目指して

鳥井作成（参考文献は Backup slide に )

インテンシティーフロンティア高密度 QCD: “Beyond the SM”

エネルギーフロンティア高温度 QCD

将来計画　 low-x ：” Beyond the Saturation Model”

Let’s Jump in!!34

ここに居ます

ALICE 実験 35

共同研究者数は PHENIX の約３倍＝ 1/3 の顔面積2009 年 11 月 23 日より陽子陽子衝突 √ s= 900 GeV 開始