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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. 原子核. 原子核. 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 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. 粒子生成・放出. 目的. - PowerPoint PPT Presentation
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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・
• 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
原子核
原子核粒子生成 放出・
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
ZDC(GeV)M
IRA
C(G
eV
)
中心衝突度の決定
中心衝突
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、中心衝突度を5段階に分けて解析を行った。
周辺衝突 ZDC と MIRAC で 相補的な測定を行っている。
E(MIRAC)∝Nparticipant
0 100 200 300 400 500MIRAC 測定値 (GeV)
イベン
ト数
Num
ber of spectator nucleons
Impact parameter b (fm)0 2 4 6 8 10 12 14
実験値 幾何学的描像
bZDC の測定値は、衝突の幾何学的描像と合っている。
EZDC N∝ spectator
生成粒子数の測定飛跡再構成
1
2
22
0 Ltof
pm
位置検出器上の位置情報 (hit)を直線で fitして飛跡を得る4hits track
3hits track
磁場中での飛跡の曲率を計算して運動量を得る
運動量 p、飛行時間 tof、飛跡 Lを用いて粒子質量m0を計算
magnet
a b
B b
a
dq sBp
運動量測定
粒子識別
検出された生の粒子数
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。
π+ 中間子 mT-m0
y
K + 中間子 陽子
z
z
yxT
pEpE
lny
mppm
21
2
0
22
運動量を (mT,y,φ) で表す。
yCM yCMyCM
0
1
2.3 1.4
3.03.7
1.3
2.8
00
1 1
y
xz
ビーム軸方向
φ
0
0.5
1
1.5
2
0 1 2 3 4 5 60
0.5
1
1.5
2
0 1 2 3 4 5 60
0.5
1
1.5
2
0 1 2 3 4 5 6
(y, mT-m0) と (p, θ) の対応
zビーム軸方向
θ y =12
lnp2+m0
2 + p ・ cosθ
p2+m02 - p ・ cosθ
mT - m0 = (p ・ sinθ)2+m02
θ= 20°
θ= 20°
θ= 20°
θ= 10°θ= 10°
θ= 10°
θ= 15°
θ= 15°θ= 15°
θ= 5°
θ= 5°θ= 5°
p=10(GeV) p=10 p=10
p=4p=4p=4
p=1 p=1 p=1
π 中間子 m0=0.14(GeV) K中間子 m0=0.49 (GeV) 陽子 m0=0.94 (GeV)
y
yy y
yy
mT-m0 mT-m0mT-m0
mT-m0mT-m0mT-m0
– 検出器のアクセプタンス
– 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
補正が必要な効果
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。
検出されない方位角方向がある。
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
Ngen(mT, y)
発生させる
粒子数分布
Nrec(mT, y)
得られた
粒子数分布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
補正係数
y),(m
y),(my),(m
Trec
Tgen
T N
Nε
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
飛跡再構成・運動量測定 粒子識別・
検出器から得られる位置情報
mT-m0
y
mT-m0
y
Background track
ghost trackの数の多重度依存
0.001
0.01
0.1
1
10
1 10 100
# of tracks/ 1event
#of g
host
trac
k/1e
vent
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。
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
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%
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。
4hits track
3hits track
4hits track&3hits track
π 中間子
K中間子陽子
π 中間子 central
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。
mT-m0 (GeV)
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
0
50
100
150
200
0 100 200 300 400 500
centrality(GeV)
dN/d
y
π 中間子陽子K中間子
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・
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・核子 核子衝突・
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 ~1 fm/c :粒子生成前に何度も核子 核子衝突を起・こす
高エネルギー原子核 原子核実験の特徴・
モデル 1 :
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。
核子 核子衝突・ 1回あたりの dN/dy
周辺衝突 中心衝突
陽子 陽子衝突・
K中間子GeVs 23
陽子 陽子衝・突
π 中間子
GeVs 23
0 400200反応関与部核子数
(dN/ dy)/ )(核子・核子衝突回数
0.01
0.1
1
(dN/
dy)/
()
核子・核子衝突回数
π 中間子
K中間子
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。・
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
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
中心衝突
衝突回数
モデル2における dN/dyの計算
y
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。
ymaxymin
単位ラピディティー当たりの平均横質量 <mT>= 0.3[GeV]
dN/dy
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。
maxminmax yN
y-(yN
2
)
dydN
は次のような分布とする
2 nモデル による 回目の衝突のエネルギー
0
5
10
15
20
0 2 4 6
n回目の衝突
√s
(GeV
)
陽子 陽子衝突における生成粒子数・
dN/ dyK中間子
0
5
10
15
20
25
30
35
40
dN/d
y
π dN/ dy中間子の
050
100150200250300350400
dN/d
y
•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2と実験値の比較
モデル 2による π 中間子の dN/dy
0 400200
反応関与部核子数
0 400200
反応関与部核子数
モデル 1による π 中間子の dN/dy
モデル 2による K中間子の dN/dy
モデル 1による K中間子の dN/dyK中間子の dN/dy(実験値)
π 中間子の dN/dy(実験値)
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
1n
pA
ppA
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 .
tparticipanNn
Busza et al. PRL 34, 836(’75)
実験値との比較
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
dN/dy が反応関与部核子数に比 例するかどうかを調べた。
0 200 400
dN/ dy
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
反応関与部核子数
dN/d
y
π 中間子
dN/ dy
0
5
10
15
20
25
30
反応関与部核子数
dN/d
y
K中間子
1 dN/ dy反応関与部核子 個あたりの
0.01
0.1
1
反応関与部核子数
(dN/d
y)/(
反応関与部
核子
数)
π 中間子K中間子
反応関与部核子1個あたりの dN/dy
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。
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。
dN/ dyK中間子
0
5
10
15
20
25
30
35
40
dN/d
y
π dN/ dy中間子の
050
100150200250300350400
dN/d
y
モデル 2による π 中間子の dN/dy
0 400200
反応関与部核子数
0 400200
反応関与部核子数
モデル 1による π 中間子の dN/dy
モデル 2による K中間子の dN/dy
モデル 1による K中間子の dN/dyK中間子の dN/dy(実験値)
π 中間子の dN/dy(実験値)
RQMD
RQMD
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。、