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

RHIC PHENIX加速器実験における最近の発見／志垣賢太 22005 11 25年月日

宇宙開闢（ビッグバン）

10-6 s

0.00 s

1012 s

102 s

1 by

15 by

10-35 s

原子の生成

原子核の生成

銀河・天体の生成

インフレーション

生命誕生：現在

クォークの閉込反クォークの消滅クォークの生成

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

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


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 ～ m では粒子生成にエネルギー分配 T > Tc では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


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

クォークの閉込／（再）開放の物理的意義


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


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

高エネルギー原子核衝突

色超伝導色 ‐ フレーバー・ロッキング

臨界点

バリオン密度

エネ

ルギ

ー密

度（

温度

）

原子核

パートン非閉込相（クォーク・グルーオン・プラズマ）

ハドロン気体

極初期宇宙

中性子星？

臨界

温度

～ 1

70 M

eV


高エネルギー原子核衝突の時空発展


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


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


ブルックヘブン国立研究所（ニューヨーク）


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


次世代ハドロン衝突型加速器 (LHC)


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/ 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 ee 対増加 NA45 (CERES); S+Au, Pb+Au; ののののののの


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


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/, ’, ）

パートン非閉込相起源軽いベクトル中間子（ , , の熱輻射（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


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

同定チェンバ

PHENIX 検出器系



RHIC 加速器と PHENIX 実験の軌跡

run year species sNN Ldt LNNdt01 2000 Au+Au 130 GeV 1 b-1 0.04 pb-1

02 2001/02 Au+Au 200 GeV 24 b-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 b-1 10.0 pb-1

Au+Au 62 GeV 9 b-1 0.36 pb-1

05 2004/05 Cu+Cu 200 GeV 3 nb-1 11.9 pb-1

Cu+Cu 62 GeV 190 b-1 0.8 pb-1

Cu+Cu 22.5 GeV 2.7 b-1 0.01 pb-1

p+p 200 GeV 3.8 pb-1 3.8 pb-1

200

0

200

1/2

002

since

2002

/2003


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


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


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


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

ハドロン群（ジェット）

高い横方向運動量を持つハドロン

ハドロン群（ジェット）

高い横方向運動量を持つハドロン

クォーク

（反）クォーク


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

binary collision scalingbased on extrapolatedUA1 p+p data

--

Au+Au at sNN = 130 GeVPHENIX PRL 88, 022301 (2002)


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)

ypσσN

ypN=R

Tcoll

TAB ddd

ddd

ppinelNN

AB

//

/


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

RAA



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”

nucleus+nucleus proton/deuteron+nucleus


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 GeVPHENIX PRL 91, 072303 (2003)


PRL の表紙を（再び）飾る d+Au 測定結果

PRL 91 (August, 2003)

PHENIX

PHOBOS

BRAHMS

STAR


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（！）

d+Auh+X at sNN = 200 GeVPHENIX

Au+Au at sNN = 200 GeVPHENIX


ジェット観測方向

「ジェット」対の抑制

対のジェットが期待される方向

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


バリオン

中間子

不可思議な発見：バリオンの異常生成？

Au+Au at sNN = 200 GeVPHENIX PRL 91, 172301 (2003);PHENIX PRC 69, 034909 (2004)

（反

）陽

子／

中間

子比

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も , K と同様に振舞う


クォーク再結合模型

Fries et al., nucl-th/0301087Greco, Ko, Levai, nucl-th/0301093

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


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/, ’ 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


高温パートン物質の性質に対する知見 1 so opaque to stop 20 GeV/c 0

strong (RAA = 0.2) and flat suppression up to 20 GeV/c

common suppression for 0 and ; partonic level (!)

> 15 GeV/fm3

dNg/dy > 1,100


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

RAA (2.5 GeV/c < pt < 5.0 GeV/c)

Au+Aue at sNN = 200 GeVPHENIX preliminary

theory curves: N. Armesto, et al., hep-ph/0501225 M. Djordjevic, M. Gyulassy, S.Wicks, PRL 94, 112301 (2005)

fmGeV 0ˆ 2q

fmGeV 4ˆ 2q

fmGeV 14ˆ 2q

1,000dydN g


高温パートン物質の性質に対する知見 3

Greco,Ko,Rapp: PLB595(2004)202

so strongly coupled to let heavy quarks flow though less strong as light quarks less flow at high pt

bottom quark contribution ? high parton density and strong coupling

supported not a weakly coupled gas

Au+Aue at sNN = 200 GeVPHENIX preliminary



Au+Audirect+X at sNN = 200 GeVPHENIX preliminary

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



theory curves: R. Vogt et al., nucl-th/0507027PDF: EKS98, abs = 3mb, at y=0 and y=2

so dense to melt (?) and regenerate (??) J/ suppression beyond cold nuclear matter effects consistent with suppression + regeneration

a good test: J/ flow (!?) details later in this presentation



Au+Au at sNN = 200 GeVPHENIX preliminary

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


重いクォーク対から成る中間子の抑制 SPS NA50 による J/ のののののの観測

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/ = 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


CuCu

200 GeV/c

AuAu

200 GeV/c

dAu

200 GeV/c

AuAuee

200 GeV/c

CuCuee

200 GeV/c

J/

muon arm1.2 < |y| < 2.2

J/ ee

central arm|y| < 0.35

J/ system size dependence

sNN = 200 GeVPHENIX preliminary


baseline: p+p and d+Au absorption cross section: 1 – 3 mb

d+AuJ/ee, at sNN = 200 GeVPHENIX nucl-ex/0507032


more than cold nuclear matter effects suppression factor ~ 3 in central Au+Au

not enough cold nulear absorption with = 3 mb

theory curves: R. Vogt et al., nucl-th/0507027PDF: EKS98, abs = 3mb, at y=0 and y=2


less than models from SPS


suppression + recombination, maybe


J/ 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


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 (, , )

Au+Au/d+Au/p+p 衝突データの解析進行中


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

RHIC PHENIX: 検出測定


Au+Au at sNN = 200 GeV0-10 % 中心衝突PHENIX preliminaryPbGl/PbSc 検出器

Au+Au at sNN = 200 GeV0-10 % 中心衝突PHENIX preliminaryPbGl 検出器

[/0]measured/[/0]background = measured/background

ジェット抑制を考慮しない光子生成 pQCD 計算

ジェット抑制を考慮した光子生成 pQCD 計算+ 計算の不確定性W.Vogelsang

初期パートン衝突起源光子の観測


初期パートン衝突起源光子で探る物理

始状態パートン分布関数始状態変化の基準測定

グルーオン・コンプトン散乱：　破砕（ハドロン化）のない「ジェットの片割れ」

クォーク対消滅制動放射

終状態パートン／ジェットの制動放射


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：

初期パートン衝突起源光子 vs ハドロン崩壊起源光子 RHIC PHENIX: 検出測定

第二の（より困難な）実験的挑戦：熱輻射光子 vs 初期パートン衝突起源光子

SPS WA90: 観測？ RHIC PHENIX: 挑戦中 LHC ALICE: 可能性予測

　他過程を凌駕する有力なプローブ　熱平衡パートン非閉込相の存在確証 + 性質探求


what to expect at RHIC ? photons at lower transverse momentum ? thermal radiation from deconfined phase ?

possible window at pt < 4 GeV/c

Au+Au at sNN = 200 GeVTurbide, Rapp, GalePRC69, 014903 (2004)


direct photon measurement at low pt direct photon measurement method

established direct = inclusive decay



a new aproach: thermal virtual photon

Comptonq

g q

e+

e-

0

e+

e-Dalitz

virtual with very low mass from any real source direct / inclusive = *direct / *inclusive

virtual measured via lepton pairs background from (calculable) Dalitz decay PHENIX features:

low conversion rate excellent mass resolution high statistics Au+Au data (run 2004)


virtual photon “excess” over Dalitz

Au+Au at sNN = 200 GeVPHENIX preliminary

0-20 % centrality

40-60 % centrality 60-94 % centrality

20-40 % centrality


direct (real) photon yield extraction inclusive *direct / *inclusive

PHENIX (run 2004)

inclusive decay

PHENIX (run 2002) PRL 94, 232301 (2005)


comparison with photon calculations inclusive *direct / *inclusive

PHENIX (run 2004)

pQCD×TAB

L.E.Gordon, W.Vogelsang PRD48, 3136 (1993)

thermal D.d’Enterria, D.Perresounko nucl-th/0503054

2+1 hydrodynamics T0 = 590 MeV 0 = 0.15 fm/c


thermal photon search status summary improving established method in low pt

region direct = inclusive decay

another technique based on dilepton analysis direct = inclusive *direct / *inclusive

promising result to measure low pt direct photon thermal photon observed ? T0 ~ 300 – 600 MeV ?

reference data/analysis needed for p+p and d+Au


Status Summary of Little Bang Physics prominent signatures of deconfined partonic phase

parton energy loss (jet quenching) (observed) quark number scaling (observed) heavy quark states suppression (observed)

quantitative understanding of new state of matter light vector mesons mass modification (work in progress)

prime goal of PHENIX upgrade (2007 ） thermal photons (observed ?)

prime goal of LHC ALICE (2007 ） now in final scenes of 1st stage: discovery of QGP 2nd stage opening: its thorough understanding


more quantitative remarks new state of matter created at RHIC

strongly interacting, dense partonic state of matter probing of its properties started

initial energy density: > 15 GeV/fm3

initial parton density: dNg/dy > 1,100 quark energy loss (jet quenching) quarks’ collective motion (azimuthal anisotropy)

initial temperature: T0 = 300 – 600 MeV ? thermal radiation (?)

unprecedented high densities and temperature


> 15 GeV/fm3

dNg/dy > 1,100T0 = 300 – 600 MeV

(?)

PHENIX preliminary

it is opaque

it is strongly coupled

it is denseit is hot

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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