高エネルギー原子核衝突実験における直接光子の高次方位角異方性を用いた

QGP研究

Dec. 12th 2016 Sanshiro Mizunosanshiro@bnl.gov

格子QCD計算の予想

ε ≈ 1GeV/fm3 : T ≈ 170MeV

P.R.D 80, 014504(2009)

QCD相図バリオン密度と温度の相図

クォークグルーオンプラズマ(QGP)

• 宇宙初期に存在したとされているQGP物質の性質解明

• 極限の高温高密度によってクォーク、グルーオンが比較的自由に動き回れる状態

2

大型加速器 (RHIC, LHC)

• RHIC : p+p, d+Au, Cu+Cu, Cu+Au, Au+Au 200GeV p+p 510GeV, U+U 193GeV

• LHC : p+p, p+Pb, Pb+Pb 5.02TeV3

RHIC加速器(アメリカ) LHC加速器(スイスとフランス)

PHENIX実験・STAR実験

• 2つの実験が長年行われていた、 PHENIX : 様々な粒子識別のための検出器(sPHENIXになる予定)STAR : 2πの方位角を覆ったTPC

4

QGPのシグナル (原子核効果)

• 単純なppの重ね合わせでは再現できない何かしらの物質ができている可能性がある

5

RAA

=YAA

Ncoll

Ypp

Ypp

YAA

Ncoll

: 発生粒子数 @ pp: 発生粒子数 @ AA: AA内での核子の 衝突回数

) R.P.

Ψ -φ=(φd-1 0 1

)R

.P.

Ψ -φ

d(

dN

210

310

QGPのシグナル (方位角異方性)

• 単純なppの重ね合わせでは説明できない粘性を持った液体のような振る舞い衝突初期の形状に依存している

6

N(��� R.P.) =

v2 = hcos {2(�� R.P.)}iN0 [1 + 2v2 cos {2(�� R.P.)}]

R.P.方向に対する荷電粒子生成数分布

反応平面Reaction Plane

衝突実験の時間発展のイメージ図

7

熱平衡化流体発展 Freeze-out

ハドロン化

QGP ハドロンガス衝突

ハドロン光子

強い散乱

• 光子 : 様々な起原を持っており常に放出されている 強い相互作用されずにでてくる

• ハドロン : freeze-out後から放出される

直接光子 (= 全光子 - 崩壊光子)

8

パートン同士の強い散乱

熱光子 (QGP)

jet起原

ハドロン崩壊

p T(G

eV/c

)

time

• ハドロンの崩壊からくる光子(π0->γγ)以外の全光子様々な発生起源を持っている

• 起源を特定しながら測定する必要があるpT spectra、方位角異方性 (v2,,)

熱光子 (ハドロンガス)

直接光子の生成量の比較

• RAA~10 (pT<1) : 熱光子が支配的(?)RAA ~ 1 (4<pT) : 衝突初期の光子が支配的(?)

9

• 重イオン衝突実験で初めて測定された低い運動量領域の光子生成量分布収量の差にexponential関数をfitして温度を引き出す膨張する系の平均温度相転移温度 ~ 170MeV初期温度(モデル依存)300(τ=0.6fm/c)-600(τ=0.15fm/c) MeV

P.R.L. 80, 014504(2009)

RAA

=YAA

Ncoll

Ypp

Centrality Effective temperature

0% - 20% 221 ± 19 ± 19 (MeV)

20% - 40% 217 ± 18 ± 16 (MeV)Min 233 ± 14 ± 19 (MeV)

直接光子の方位角異方性

• 光子v2 ~ π0v２ (pT~2) 光子v2~0 < π0v２ (4<pT) QGPの時間発展とともに大きなv2 -> 後期の光子??

10

P.R.L. 109, 122302(2012)

π0(ハドロン) 全光子 直接光子

v2 = hcos {2(�� R.P.)}iR.P.

初期の熱光子・後期の熱光子

• 非常に高温からの熱光子が支配的 -> 初期が支配的 熱源の温度 : 220MeVハドロンと同程度のv2 -> 後期が支配的Freeze-out温度 : 100-110MeV

• 膨張する系の温度v2を大きくする何か新しい物理(磁場?)

• 中心衝突度依存性を調べる高次方位角異方性の測定

11

Central Peripheral

Ψ3

Ψ2

高次方位角異方性

• 2次だけでなく高次を測定することで 光子v2がハドロンv2と同程度の大きさを持つ起原を調べる

• 異方性(終状態) ∝ 異方性(形状異方性) x 膨張(QGP+HG)12

pT(GeV/c)

vn

P.R.L. 107,252301

N(��� n) =

N0 [1 + 2⌃vn cos {n(�� n)}]vn = hcos {n(�� n)}i

Event Plane測定

• 粒子の発生方向の偏りから測定形状からくる発生粒子の偏りはどの位置でも同じと仮定

13

Res( n) = hcos {n (�� p.p.n )}i

Qx

= ⌃wi

cos {n (�� n

)}Qy = ⌃wi sin {n (�� n)}

n

= atan2 (Qy

, Qx

) /n

光子の測定

• Electromagnetic calorimeter high pTまで測定することができる : 1 < pT < 15 GeV/c

• Conversion光子(γ->e++e-)を用いる方法 low pTを測定することができる : 0.2 < pT GeV/c統計的に難しい 14

直接光子のvnの導出• 直接光子 = 全光子 - 崩壊光子崩壊光子vnはシミュレーションを用いて見積もるπ0粒子については実験で測定されているが、η, ωなどの粒子は測定が難しい -> π0の結果から仮定する

15

Ninc.vinc.n = Ndir.v

dir.n +Ndec.v

dec.n

vdir.n =R�vinc.n � vdec.n

R� � 1

R� = Ninc./Ndec.

(GeV/c)T

p0 2 4 6 8

2v

0

0.05

0.1

neutral pioninclusive photon

(GeV/c)T

p0 2 4 6 8

3v

0

0.05

0.1

崩壊光子のvn

• π0, η, ω, ρ, η’の5粒子を親としてインプット崩壊光子の割合とそれぞれのvnをシミュレーションで見積もる全崩壊光子のvnを見積もる

16

(GeV/c) T

p0 2 4 6 8

Con

trib

utio

n ra

tio

4−10

3−10

2−10

1−10

1

(GeV/c) T

p0 2 4 6 8

2v0

0.05

0.1

0.15

0π from dec.γ

η from dec.γ

ω from dec.γ

(GeV/c) T

p0 2 4 6 8

3v

0

0.05

0.1ρ from dec.γ

'η from dec.γ

dec.γall

それぞれの崩壊光子/全崩壊光子

全光子と崩壊光子の比較

• 全光子vnと崩壊光子vnにわずかな差がある違いとRγから直接光子vnを引き出す

17

(GeV/c)T

p0 2 4 6 8

2v

0

0.05

0.1

(GeV/c)T

p0 2 4 6 8

3v0

0.05

0.1 inclusive photondecay photon

vdir.n =R�vinc.n � vdec.n

R� � 1R� = Ninc./Ndec.

直接光子vnの比較

• 高次の項でも有限の値ハドロンと同程度のvn、centrality依存性を持っている ハドロンと同様に初期形状の異方性を起源としている

18

P.R.C 94, 064901(2016)

まとめ

• 直接光子vnの測定低いpT領域はハドロンと同程度の時間から放出される光子が支配的な可能性があるモデル計算では収量とvnを同時に説明することができていない

• 衝突初期にしか生成されない重クォーク解析直接光子よりもQGPの時間発展について研究できる可能性がある

19

STAR実験・HFT検出器

20

TOF

TPC

VPD

Heavy Flavor Tracker (HFT)

Silicon Strip Detector : r~22cm Intermediate Silicon Tracker : r~14cm

PIXEL : r~2.8, 8cm

直接粒子の解析

• HFTを用いた荷電π, K, pのスペクトラ解析

• 測定される陽子の約40%はΛ粒子の弱い相互作用による崩壊からくるΛ粒子等の収量から陽子の収量を見積る 全陽子の収量から差をとるDistance of Closest Approach (DCA)によって直接測定する

21collision vertex

p

π

Λ : cτ=7.89cm

HFTを用いることでのpurity

• HFTを用いてDCAのカットを加えることで99%以上のpurityでprotonの測定ができている

22

(GeV/c)T

p0 0.5 1 1.5 2

RC

-all

/ N

RC

-pro

mpt

= N

purit

yε

0.8

0.85

0.9

0.95

1

protonAu+Au 200GeV0-10%

=3)/2T

(pacc.×eff.εthreshold :

weak decay + knockout background>1GeV/c

T <1% at p

(GeV/c)T

p0 0.5 1 1.5 2

RC

-all

/ N

RC

-pro

mpt

= N

purit

yε

0.8

0.85

0.9

0.95

1

anti-protonacc.×eff.εthreshold<

<thresholdacc.×eff.ε

acc.×eff.εthreshold<<thresholdacc.×eff.ε

weak decay contribution>1GeV/c

T <1% at p

"purity

= NRC�prompt

/NRC�all

荷電π, K, pスペクトラ解析

• HFTが入っていることで検出器の補正が大きくなりすぎることで低いpTでの測定がむずがしくなっている過去の結果とエラーの範囲でよくあっている

23

(GeV/c)T

p0 1 2 3

dy)

TN

/(dp

2)d Tp

π1/

(2

2−10

1−10

1

10

210

positive+π+K

proton

Au+Au 200GeV, 0-10%STAR preliminary

(GeV/c)T

p0 1 2 3

dy)

TN

/(dp

2)d Tp

π1/

(2

2−10

1−10

1

10

210

negative-π-K

anti-proton

24

25

直接光子の生成量の比較

26

Centrality Effective temperature

0% - 20% 239 ± 25 ± 7 (MeV)

20% - 40% 260 ± 33 ± 8 (MeV)

40% - 60% 225 ± 28 ± 6 (MeV)

P.R.C 91, 064904 (2015)

• 粒子密度、膨張速度の違いに依存していない

直接光子vnの比較

• 高い運動量からくるハドロンが高い運動量を持つパートン起源とするとハドロンと光子のvnの比較により高い運動量域(4<pT)での起源の違いを定量的に議論できる可能性がある

27

(GeV/c)T

p0 5 10

2v

0

0.05

0.1

0.15

(GeV/c)T

p0 5 10

3v

0

0.05

0.1

0.15

nNeutral pion v

nInclusive photon v

nDirect photon v

2層構造のPIXEL検出器

28

• 2cm x 2cmの領域に928x960 sensor内側 : 10本外側 : 30本

表面構造の調べる

• インストールする前にセクター1個ずつ調べる

29

• 表面の構造の理解

30

PXL alignment steps

31

1

5 6

10２

3

4 7

8

9

1. Right sectors (6-10) are aligned to left sectors (1-5). 2. Sector to Sector alignment 1(ref)-5 1(ref)-6 1(ref)-7 6(ref)-2 9(ref)-3 10(ref)-4 5(ref)-9 2(ref)-8 5(ref)-10 (ex. sec.10 is aligned to sec.5 and to sec.1) 3. In order to obtain more statistics, 3 reference sectors are used for alignment.(ex. sec.8 is aligned to sec 2,3,4.)Sector -> PXL half -> PXL whole -> PST

宇宙線を使ってHFTの相対位置を調べる

32

x[cm]∆0.2− 0.15− 0.1− 0.05− 0 0.05 0.1 0.15 0.20

200

400

600

800

1000

Before

After

mµ0.4±=-9.2µ

mµ0.4±=24.7σ

Innerx∆

w/ loose cut

y[cm]∆0.2− 0.15− 0.1− 0.05− 0 0.05 0.1 0.15 0.20

200

400

600

800

1000

1200

1400mµ0.3±=-10.1µ

mµ0.3±=17.6σ

Innery∆

z[cm]∆0.2− 0.15− 0.1− 0.05− 0 0.05 0.1 0.15 0.20

100

200

300

400

500

600

700

800

900mµ0.4±=-8.4µ

mµ0.5±=29.2σ

Innerz∆

x[cm]∆0.2− 0.15− 0.1− 0.05− 0 0.05 0.1 0.15 0.20

100

200

300

400

500

600 mµ0.7±=-9.4µ

mµ0.7±=48.4σ

Outerx∆

y[cm]∆0.2− 0.15− 0.1− 0.05− 0 0.05 0.1 0.15 0.20

100

200

300

400

500

600

700

800

900mµ0.5±=-10.6µ

mµ0.5±=30.2σ

Outery∆

z[cm]∆0.2− 0.15− 0.1− 0.05− 0 0.05 0.1 0.15 0.20

100

200

300

400

500

mµ0.8±=-9.9µ

mµ0.9±=57.1σ

Outerz∆

dN/dy分布

• エラーの範囲でデータと過去の論文の結果と一致している

33

partN0 100 200 300

dN/d

y

0

100

200

300 STAR preliminarySTAR (2004)PHENIX (2004)

+π

partN0 100 200 300

dN/d

y

0

20

40

60

+K

partN0 100 200 300

dN/d

y

0

10

20

30

40Inclusive protonPrompt proton

proton

partN0 100 200 300

dN/d

y

0

100

200

300-π

Au+Au 200GeV|y|<0.1

partN0 100 200 300

dN/d

y

0

20

40

60

-K

partN0 100 200 300

dN/d

y

0

10

20

30

40 anti-proton