Measurement of charmonia at RHIC-PHENIX

織田勧東京大学 CNS

2007 年 10 月 29 日 ( 月 )於阪大 RCNP

1/50

内容 動機 RHIC, PHENIX 生成メカニズム (p+p) 原子核効果 (d+Au) A+A のデータ 今後

2/50

なぜチャーモニウムか ? QGP 中でデバイ遮蔽によって分解する。

Matsui and Satz PLB 178, 416 (1986) チャームクォークは衝突初期の hard s

cattering のみによって生成される。 Test particle 、不純物 QGP 生成の証拠になる。

分解温度は束縛エネルギーに依存する。 ガリレオ式温度計

S. Digal, F. Karsch and H. Satz

3/50

チャーモニウムの系

c(1S)

c(2S)

J/(1S)

(2S)

c0(1P)c1(1P) c2(1P)hc(1P)

JPC 0-+ 1-- 0++ 1++ 1+- 2++

DDbar threshold

4/50

チャーモニウムで何ができるのか ? 測れるものは

チャーモニウムの種類 収量 横運動量分布 ラピディティ分布 偏極 ( スピンアライメント ) フロー (v2 など ) チャーモニウム - ハドロン相関

衝突中心度依存性 衝突エネルギー依存性 衝突核種依存性

B 中間子からの寄与 Off-vertex decay

これからわかりうる ( とうれしい ) ものは グルオン ( クォーク ) の分布

温度 チャーモニウムとグルオンの相互作用断面積

R. Rapp, hep-ph/0502208

作りたいプロット

グルオンのエネルギー

5/50

SPS での結果 J/, ’

なぜ J/と’ ? 実験で見つけやすい。

Di-lepton channel (+-, e+e-)

それなりに多くの数が生成される。

JP=1- で理論が扱いやすい ( たぶん ) 。

J/

’

L

6/50

RHIC

100GeV のビーム同士をぶつける。 p (A=1), d (A=2), Cu (A=63), Au (A=197)

PHENIX

PHOBOS BRAHMS

STAR

7/50

PHENIX 検出器

Vertex, centrality Timing, charged particle multiplicity

BBC Spectator neutron

ZDC

Forward rapidity (1.2<|y|<2.2, +- pair) Tracking

MWPC PID

Drift tube, absorber

Mid rapidity (|y|<0.35, e+e- pair, hadron, photon) Tracking

DC, MWPC PID

RICH, EMCal

8/50

これまでにRun Ions sNN

Luminosity

J/ (ee + ) Status

1 Au+Au 130 GeV 1 b-1

2 Au+Au 200 GeV 24 b-1

13 + 0 PRC69, 014901

(2004)

p+p 200 GeV 0.15 pb-1 46 + 66 PRL92, 051802 (2004)

3 d+Au 200 GeV 2.74 nb-1

360 + 1660 PRL96, 012304

(2006)

p+p 200 GeV 0.35 pb-1 130 + 450

4 Au+Au 200 GeV 241 b-1 1000 + 4500 PRL98, 232301

(2007)

Au+Au 62.4 GeV 9.1 b-1 13 + ? -

p+p 200 GeV 324 nb-1

5 Cu+Cu 200 GeV 4.8 nb-1 2300 + 10000 arXiv:0711.????

Cu+Cu 62.4 GeV 190 b-1 60 + 200 -

p+p 200 GeV 3.8 pb-1 1500 + 8000 PRL98, 232002

(2007)

6 p+p 200 GeV 10.7 pb-1 2500 + ?

p+p 62.4 GeV 0.1 pb-1

7 Au+Au 200 GeV 813 b-1

8d+Aup+p

200 GeV200 GeV

予定

9/50

RHIC では RAA (nuclear modification factor) を使う

p+p 衝突の重ね合わせ。

生成されたチャーモニウムと残りの原子核との相互作用は d+A で評価する。

dy

dN

coll

dydN

AA pp

AA

NR

(A+A)/(p+p)-(d+A)/(p+p)=(Hot+Cold)-Cold=Hot

10/50

PHENIX の J/の結果

Red : Au+Au |y|<0.35Magenta : Cu+Cu |y|<0.35Blue : Au+Au 1.2<|y|<2.2Aqua : Cu+Cu 1.2<|y|<2.2

peripheral central

R. Vogt 　 Acta Phys. Hung. A25 (2006) 97

0 mb

3 mb

原子核による J/の吸収断面積

11/50

RHIC でも J/の収量が抑制されているように見えるが… そもそも p+p での J/の生成はよく理

解されているのか ? 原子核効果 (cold nuclear matter effect)

は何で、 d+A でわかるのか ?

12/50

p+p での cc-bar, J/の断面積 qq-bar もしくは gg の消滅で cc-bar(J/) は生成さ

れる。 200 分の 1 だけ J/になる。

b 94.000.3

nb )(18)(53)(3178

/

/

J

Jll normsyststatB

b 231567

b )(224)(57567

syststatcc

13/50

J/はどうやって作られるのか ? Color Singlet Model

Singlet でできる Color Evaporation Model

(singlet, octet 両方の ) 中間状態から gluon を放出して singlet になる

チャーモニウムの比は衝突エネルギーによらない。

Color Octet Model (NRQCD) Singlet だけでなく、 octet から

gluon を放出することでもできる 有限のスピンアライメントを予測

する。 H.D.Sato

14/50

Tevatron(1.96TeV p+pbar)での J/

Color singlet だけじゃ少なすぎる。

15/50

Tevatron での J/’ の polarization (spin alignment)

2cos1cos

d

dNJ/ rest frame

J/ momentum direction

+

-

+1

-1

0

CDF-I(2000)

CDF-II(2007)

COM(NRQCD) と反対の傾向。

J3

16/50

断面積は低いエネルギーでも COM でOK

n

Hn

ABn OcXHAB )()(

c: 摂動O: 非摂動 (Tevatron のデータで決めた )

(J/)

(’)/(J/)

F. Maltoni, et al., PLB638 (2006) 202

17/50

c は ?

2

0

1

JcJcJ JBR

JR

c

Color Evaporation Model

NRQCD(COM)

Color Singlet Model

J/のうち c の崩壊からできたものの割合。

sqrt(s) に依存しない

18/50

p+p での J/の生成はよく理解されているとは言えない。 QGP ができるまでに J/ができていれば , プローブ

として使って良いだろうが、、、

Crossing time Pb+Pb, SPS (17.3GeV) : 1.6fm Au+Au, RHIC (200GeV) : 0.13fm Pb+Pb, LHC (5.5TeV) : 0.005fm

ccbar ができる時間 hbar/(2mc)=0.06fm

Octet から singlet になる時間 >1/sqrt(2mcQCD)=0.25fm

(Kharzeev, Satz, PLB366, 316(1996))

19/50

原子核が通り抜けるときはoctet と singlet が共存している

y=0, pT=0GeV

y=0, pT=1GeV y=1.7, pT=1GeV S.Kametani

20/50

Cold matter effects Modification of initial parton d

istribution function Nuclear absorption Initial state energy loss Multiple scattering

X

Shadowing AntiShadowing

Xd XAu

J/ inNorthy > 0

Xd XAu

J/ inSouthy < 0

rapidity y

South muon arm (y < -1.2) : large XAu 0.090

Central arm (y 0) : intermediate XAu 0.020

North muon arm (y > 1.2) : small XAu 0.003

gluons in Pb / gluons in p

Eskola, et al., Nucl. Phys. A696 (2001) 729-746.

Anti-shadowing

21/50

Modification of initial parton distribution function Shadowing のモデルは

いっぱいある。 EKS

K.J.Eskola et al., NPA696, 729 (2001)

FGS L. Frankfurt et al., EPJA5,

293 (1999) NDSG

D.de Florian et al., PRD69, 074028 (2004)

Kopeliovich B. Kopeliovich et al., NPA

696, 669 (2001) グルオンはよくわかってない

22/50

d+Au の結果

EKS が良さそう。

23/50

原子核による J/の吸収・分解

R.Vogt, nucl-th/0507027, Color Evaporation Model

• 吸収されるのは octet がほとんど。• J/でなく中間の octet の吸収だけ考えている ?• どうやって octet が singlet になっていくかは生成メカニズムに大きく依存する。• すごく非摂動論的な世界。

absLe

24/50

吸収断面積は 0-3mb かなあ ?

25/50

Run Ions sNN Luminosity J/ (ee + ) Status

1 Au+Au 130 GeV 1 b-1

2 Au+Au 200 GeV 24 b-1 13 + 0 PRC69, 014901 (2004)

p+p 200 GeV 0.15 pb-1 46 + 66 PRL92, 051802 (2004)

3 d+Au 200 GeV 2.74 nb-1 360 + 1660 PRL96, 012304 (2006)

p+p 200 GeV 0.35 pb-1 130 + 450

4 Au+Au 200 GeV 241 b-1 1000 + 4500 PRL98, 232301 (2007)

Au+Au 62.4 GeV 9.1 b-1 13 + ? -

p+p 200 GeV 324 nb-1

5 Cu+Cu 200 GeV 4.8 nb-1 2300 + 10000 arXiv:0711.????

Cu+Cu 62.4 GeV 190 b-1 60 + 200 -

p+p 200 GeV 3.8 pb-1 1500 + 8000 PRL98, 232002 (2007)

6 p+p 200 GeV 10.7 pb-1 2500 + ?

p+p 62.4 GeV 0.1 pb-1

7 Au+Au 200 GeV 813 b-1

8d+Aup+p

200 GeV200 GeV

予定

近日中に投稿予定 A.Adare et al., Cold Nuclear Matter Eects on J/psi Production as Constrained by Deuteron-Gold Measurements at sqrt(s_NN) = 200 GeVRun-3 d+Au と Run-5 p+p を使って吸収断面積を定量的に出す。

26/50

NA50, p+A arXiv:nucl-ex/0612012

PHENIX と同じ量になっているのかは調べていません。

27/50

M.Bedjidian et al., arXiv:hep-ph/0311048

28/50

J/+N の重心エネルギー

SPS

y=0 y=+1y=-1

RHIC

y=0 y=+2y=-2

疑問 : ラピディティが違っても一つの断面積で良いのか ?重心エネルギーは結構違う。

29/50

y>0y<0y=0

p, dPDG2007

重心エネルギーは結構違っても、断面積はあまり変わらなさそう。

30/50

何の吸収断面積なのか ?意味があるのか ? Crossing time

Pb+Pb, SPS (17.3GeV) : 1.6fm Au+Au, RHIC (200GeV) : 0.13fm Pb+Pb, LHC (5.5TeV) : 0.005fm

ccbar ができる時間 hbar/(2mc)=0.06fm

ほとんどの charm quark ができていないから、 LHC では吸収断面積は要らないはず。

現象論的パラメータだと思えば良い ?

31/50

RHIC の Cu+Cu, Au+Au での J/の結果

Red : Au+Au |y|<0.35Magenta : Cu+Cu |y|<0.35Blue : Au+Au 1.2<|y|<2.2Aqua : Cu+Cu 1.2<|y|<2.2

peripheral central

R. Vogt 　 Acta Phys. Hung. A25 (2006) 97

0 mb

3 mb

32/50

Cu+Cu の最終結果はもうすぐ投稿します。 ( もうすぐと言って 1年近く )

A. Adare et al., Title : J/psi production in sqrt(s_NN)=200GeV Cu+Cu collisions 今週中 ?

何が新しいのか ? Npart<100 のところ。 CNM だけだと思って (Npart<40 で )abs を出してみる。

Final な結果は見せられないので、 preliminary な結果を見せています。 2 つはだいたいエラーの範囲で無矛盾です。

33/50

RAA-Npart

横軸 Log 横軸 Linear

0 mb

3 mb

0 mb

3 mb

Red : Au+Au |y|<0.35Magenta : Cu+Cu |y|<0.35Blue : Au+Au 1.2<|y|<2.2Aqua : Cu+Cu 1.2<|y|<2.2

Cu+Cu が重要に見える。

3mb からの線から外れるのは forward の方が早い。

abs を求められる ?

34/50

ラピディティ依存性

CNM 0mb

3mbSCM

Full recombination

Au+Au data

CNM : R. Vogt 　 Acta Phys. Hung. A25 (2006) 97.SCM : A.Andronic et al., nucl-th/0701079. Full recombination : R.L.Thews and M.L.Mangano, PRC73 (2006) 014904.

35/50

Recombination? v2?

Forward では意味のある結果が出せそう。 大きな v2charm も thermalize している。

スケーリング則 ? 小さな v2?

36/50

CGC のために強いラピディティ依存性があるのか ?

QM06

Kirill TuchinOct 24. 2007

hep-ph/0510358 D.Kharzeev, K.Tuchin

d+Au のデータにあまり合っていない。

37/50

横運動量依存性

No strong pT dependence of RAA. No significant centrality dependence of <pT

2>.

Au+Au data

38/50

Ncoll-<pT2>

• Magenta : R.L.Thews and M.L.Mangano, PRC73 (2006) 014904 and private comm. • Green : L.Yan, P.Zhuang and N.Xu, PRL97 (2006) 232301.

nTTT Bp

A

dydp

Nd

p 2

2

12

1

)2(22 nBpT

RHIC ではもっと統計量が必要。

SPS

39/50

他のチャーモニウムは ?

あと、 B 中間子からの寄与

c(1S)

c(2S)

J/(1S)

(2S)

c0(1P)c1(1P) c2(1P)hc(1P)

JPC 0-+ 1-- 0++ 1++ 1+- 2++

DDbar threshold

40/50

Geometrical acceptance * branching ratio (PHENIX)

cpp-bar が最適

J/e+e- が最適’e+e- が最適

c0K+K- or J/(e+e-) c2J/ (or +-)c1J/

それぞれの粒子の数の比バックグラウンドの量も効いてくる。

41/50

p+p 衝突での’ e+e- Run-5 and Run-6

NJ/~4000

N’/NJ/=0.02 にした場合N’=80

Hadron backgroundcc-bar (ce+ and c-bare-)bb-bar (be- and b-bare+)Drell-Yan (*e+e-)

42/50

p+p 衝突での cJ/ Run-5 and Run-6

Black : ForegroundBlue : BackgroundRed: Foreground-backgroundGreen : Normalization regions (0.1<M<0.3GeV and 0.6<M<0.8GeV)

NJ/=4145

c peak?

43/50

b(1S)

b(2S)

(1S)

(2S)

b0(1P)b1(1P) b2(1P)hb(1P)

JPC 0-+ 1-- 0++ 1++ 1+- 2++

BBbar threshold

b(3S) (3S)

b0(2P)b1(2P) b2(2P)hb(2P)

(4S)ボトモニウムは ?

9.46GeV

10.02GeV

10.36GeV

測りやすいのは(nS)*e+e-, +-

44/50

STAR Preliminaryp+p 200 GeV

y

d/

dy

(nb

)

Counts

PHENIXPreliminary(QM05)

y~050 counts

PHENIXy~1.724 counts

3 つの状態を分けられるか ?

ウプシロン p+p 200GeV

45/50

RHIC で今後 5 年で測定可能なのは( 独断と偏見 )

p+p d+A A+A

c 0-+ 1S △

J/ 1-- 1S ◎ ◎ ◎

c0 0++ 1P △

c1 1++ 1P ○ △ △

hc 1+- 1P

c2 2++ 1P ○ △ △

c’ 0-+ 2S

’ 1-- 2S ○ ○ ○

1-- 1S ○ ○ ○

’ 1-- 2S ○ △ △

” 1-- 3S ○ △ △

46/50

LHC では ?

も測れる RAA-Npart , ’ (1S), (2S), (3S)

Recombination の寄与がほとんどになる ? v2 Multi charm baryon が増大する ?

cc+(dcc), cc

++(ucc), cc+(scc), ccc

++

(ccc) Bc

+ (c b-bar, J/+)

STAR, arXiv:0705.2511

L.Grandchamp et al., PRC 73, 064906 (2006)

47/50

J/なら ALICE, ならCMSALICE

CMS

48/50

Charmonium だとB からの寄与Vertex 検出器

理論計算をするなら、 実験結果と比較できないと面白くない。 実験で測れる粒子

たくさん生成される粒子 分岐比が大きい崩壊モードを持つ粒子 バックグラウンドが小さい崩壊モードを持つ粒子

順番は J/’(1S)(2S)(3S)1c2c

0cc…

49/50

まとめ J/の収量抑制を理解するためには、生

成も良くわかっていないといけない。 測れるものは全て測る。

J/の v2 はかなり面白そう。 ’ の RAA も見たい。

50/50

予備のスライド

何がわかったら高エネルギー重イオン衝突が完全にわかったと言えるのか ? ある時刻でのハドロンの中のものを含めてクォークとグ

ルオンの位置分布と運動量分布とその時間発展がわかったら十分。 出来ていたものが s-QGP ではなくても OK 。

全ての終状態の粒子の種類、運動量、崩壊点 ( 生成点 )がわかったら ( 完全実験 ) 、高エネルギー重イオン衝突は完全にわかるのか ?

時間発展は QCD で記述できる ( と思っている ) 。 高エネルギー重イオン衝突が関係している多くの領域は QCD

の非摂動的なところ。 どうする ?

( 妥協して、 ) 全ての実験結果を十分良く記述できる現象論的モデルが (枝葉末節は別にして本質的に ) ただ一つだけ存在するならそれで良いのでは。

197Au+197Au では

S = RAA (1.2<|y|<2.2)

/RAA (|y|<0.35)

Bar: uncorrelated errorBracket : correlated error

ppcoll

AAAA YieldN

YieldR

Geometrical acceptance

c(1S)(2980) PS

J/(1S)(3097) V ’(2S)(3686) V

c0(1P)(3415) S c2(1P)(3556) Tc1(1P)(35??) A