物理学セミナー

高エネルギー原子核衝突実験でみるクォーク・グルーオン・プラズマ(QGP)

筑波大学、数理物質科学研究科、物理学専攻、江角晋一

WEB: http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp/Eメール: esumi@sakura.cc.tsukuba.ac.jp研究室: 自然学系B棟６０２、第１学群F棟２０１TEL: ０２９－８５３－４２４９、６１２１

物質の構成要素：クォーク

宇宙初期：ビッグバン直後の物質の状態は、　　　　　　高温、高密度状態で　　　既知のハドロンの状態ではあり得ない。クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）状態

ハドロン内に閉じ込められたクォーク

バラバラに飛び回るクォーク

ハドロンの質量の理論的計算

温度／相転移温度

エネルギー密度／（温度）４

電子

１オングストローム＝１億分の１ｃｍ

１フェルミ＝１０万分の１オングストローム＝１０兆分の１ｃｍ

原子核

原子＝「原子核」と「電子」からなる、極めて空虚な世界

原子、原子核、クォーク

陽子

中性子

クォーク

原子核＝「陽子」と「中性子」からなる、極めて高密度な世界

クォーク＝「陽子」や「中性子」という袋の中に閉じ込められている

陽子、中性子、中間子等のハドロン

クォーク・グルーオン・プラズマ　(QGP)

クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）とは？

　　　　　　　温度（度）　　　　　　

　　　ビッグ・バン後（秒）　　　

元素合成

原子生成

陽子生成

現在

加速器

加速器を使って重い原子核を衝突させて、ビック・バンの小さいもの(リトル･バン)を作って調べてみよう！

氷、水、水蒸気への相転移

ハドロン(陽子、中性子、中間子)からクォーク･グルーオン・プラズマ（QGP)への相転移

クォーク･グルーオン・プラズマ（QGP)

衝突シミュレーションハドロン、カスケード計算

新たな物質相の研究(クォーク・グルーオン・プラズマ)

衝突後の入射原子核

衝突後の入射原子核

巨大加速器を用いて光速近くまで加速した原子番号の大きな原子核同士を衝突させる。

AGS

RHIC

SPS LHC

BNL・AGS√ｓ ～ ４ AGeV

CERN・LHC２００７～√ｓ ～ ５５００ AGeV

ＣＥＲＮ研究所（ジュネーブ） ＢＮＬ研究所（ニューヨーク）

ＲＨＩＣ加速器の場合（相対論的重イオン衝突型加速器）

　●　複合型加速器　●　２本の独立な加速器で　　　逆方向に原子核を加速　●　６箇所の衝突点

PHENIX検出器 STAR検出器

PHENIX国際共同研究（メガ・サイエンス）・日本側：東京大学、京都大学、筑波大学、広島大学等８大学・研究機関・米国側：BNL、ANL、LLNL、LANL、等１６大学点研究機関

ガス検出器(TPC：時間射影チェンバー)での3次元軌跡測定

磁場：B

荷電粒子の磁場中での軌跡の曲率を測ることにより、運動量(mv)測定する。

ガス中で荷電粒子が失う電離損失エネルギーの量（ガス中に作られるイオン対の量に比例）は、荷電粒子の速度に依存する。よって、粒子毎に運動量の関数になる。

運動量

様々な粒子線検出器の組み合わせ

電磁カロリメーター

遷移放射検出器ｃ

パッド、チェンバー

リング、イメージング、チェレンコフ検出器

飛行時間検出器

ドリフト、チェンバー

読み出しエレキ

ビーム、パイプビーム検出器

電磁石

荷電ハドロンの飛行時間測定による粒子識別

• 院生の活躍

– ２～３名の常駐体制

• 高時間分解能飛行時間測定器による粒子識別

– 粒子識別に十分な性能発揮

• 陽子、パイ中間子横運動量分布

• 陽子、パイ中間子の方位角異方性

• 粒子識別能力の重要性の再認識

PHENIX Preliminary

ProtonK+

K-

+

-

p

e+

e-

385cm

200cm

200cm

筑波大チームが開発・製作した飛行時間測定器

運動量(mv)測定+飛行時間(速さ：v)測定から、質量(m)を知る。粒子の種類を知る。

粒子識別装置の強化計画

• 粒子識別の重要性

– 飛行時間測定器、ガス・チェレンコフ検出器に加え、新たにエアロジェル・チェレンコフ検出器を付加

– 屈折率１．０１２の物質

• ４年生の卒業研究から開発開始

• ロシアの研究者と連携を強化

チェレンコフ光：物質中の光速(屈折率によって遅くなる)より、粒子の速度が速い時に出される光の衝撃波

音速を超える速度のジェット機による衝撃波と同じ原理

v光=c/n　(c：光速)(n：屈折率)

チェレンコフ光：　物質中の光速(屈折率によって遅くなる)より、粒子の速度が速い時に出される光の衝撃波

衝突無し 周辺衝突 中心衝突

前後方に出る

青色の矢印の量

中心付近から出る赤色の矢印の量

2x1=23x2=63x3=93x3=91x2=21x2=2

total 30 collisions12 + 11

total 23 participant nucleonsspectators

Npart : number of participantparticipant scaling

Ncoll : number of binary collisionbinary scaling

impactparameter : b

y

x

b

x

z

R AA =yield (A+A)

<Ncoll> yield (p+p)

R CP =yieldCentral / <Ncoll>Central

yieldPeripheral / <Ncoll>Periheral

RAA , RCP

relative yield in A+A collisions normalized by p+p yield times number ofbinary collisions

反応平面

x

y

2

i

Ｘ軸

ビーム　Ｚ軸

金原子核

金原子核

Ｙ軸

Ｘ軸

グルーオン

クォーク

陽子、中性子

金原子核 金原子核 粒子放出

Ｘ軸

Ｙ軸

Ｙ軸

Ｘ軸

原子核同士が重なり合った部分での密度、エネルギー密度分布

横方向運動量

横方向運動量

Ｖ２

Ｖ２

~ Ｖ２方位角分布

-180 0 180度

ＱＧＰ流体実験データ　

ハドロン計算（ＱＧＰなし）

ＱＧＰ膨張

３ｑ　（バリオン）

２ｑ　（メソン）

１ｑ　（クォーク）

楕円的（流れ）粒子放出

方位角

W. Busza, LHC Workshop, May/2007

W. Busza, LHC Workshop, May/2007

Total charged particle multiplicity distribution

Measured trend at AGS-SPS-RHIC energies is extrapolated to LHC energy. About 60% increase in dN/d from RHIC to LHC, which is 2.6 times in total yield.

‘net

’pro

ton

dN/d

y

AGS

SPS

RHIC 62

RHIC 200

LHC 5500

(BRAHMS preliminary)

net-Baryon distribution (stopping transparent)

NA49 preliminary

This tells us how the initial Baryon density is distributed in the final rapidity density. A wide net-Baryon free region will be formed in the mid-rapidity.

thermal freeze-out

locally thermalcollective expansion

the end of elastic interactions

Teff = Tfo + 0.5 m v 2

M. Kaneta and N. Xu,J. Phys. G27 (2001) 589

Central130 GeV Au+AuSTAR Preliminary

Simple chemical freeze-out modelremarkably well agrees with data.

Qi : 1 for u and d, -1 for u and dsi : 1 for s, -1 for sgi : spin-isospin freedommi : particle massK2 : the second-order modified

Bessel function

ch : Chemical freeze-out temperatureq : light-quark chemical potentials : strangeness chemical potentials : strangeness saturation factor

Particle ratioParticle ratio

chemical freeze-out

Baryonic Potential B [MeV]

Che

mic

al T

empe

ratu

reTc

h[M

eV]

0

200

250

150

100

50

0 200 400 600 800 1000 1200

AGS

SIS

LEP/

SppS

SPS

quarks-gluons

hadrons

RHIC

chT: integrated particle yieldover full phase space

sq sq: chemical freeze-out temperature

: chemical quark potential

the end of inelastic interactions

ストレンジネス増加

衝突に関与した核子数

発生粒子数

/ 数

衝突に関与した核子数

p+Beに対する生成比

0s

1s

2s

1s

2s

3s

• energy scan

maximum in relative strangeness production at ~30 AGeV

saturation for higher energies

• not explained by hadron gas models although the general feature is captured (baryon → meson dominated system)

• neither by UrQMD, HSD[E.L. Bratkovskaya et al., PRC 69, 054907 (2004)]

• predicted for a phase transition [Gazdzicki, Gorenstein, Acta. Phys. Polon. B30, 2705 (1999)]

Redlich priv. com., Hadron Gas, s=1Gazdzicki and Gorenstein

relative s-production

/dN dy 2 2 2/30S r r A

2

G l u o n s a t u r a t i o n s c a le :

/ 1 G e VSd N d yQ

r

Tch

/dN dyS

TC

dNch/d200 400 600

< >

衝突によって出来た物質の温度、密度、膨張

Tkin

Tinitt

z

測定された（衝突の中期）温度は

測定された（衝突の中期）温度は

相転移が予測されていた

相転移が予測されていた

温度、密度境界線上に到達！

温度、密度境界線上に到達！

温度軸

密度軸

　通常の原子核密度

クォーク･グルーオン･プラズマ状態

境界線境界線

宇宙初期ビッグ・バン

中性子星内部

衝突後期の温度

衝突後期の温度

xy z

空間的な異方性を起源とする。

py

px

粒子の放出方向を測定する。

x

y

pp

atan

y 2 x 2

y 2 x 2v 2

px2 py

2

px2 py

2

方位角異方性 (楕円的な流れ、粒子放出)

particle R.P. (rad)

Tfo

early freeze-out

SPS

Similar effect from the time-difference is seen in v2

STAR preliminary

QM06

半径方向集団運動　⇔　楕円型集団運動

Phys. Rev. Lett. 99, 052301 (2007)

Phys. Rev. Lett. 98, 172301 (2007)

Particle identified v2 at RHIC

Number of constituent quark scaling in hadron v2 as well as multi-strange baryon v2: v2 is already established during the quark phase before the hadronization. This seems to be true even for heavy quark like charm.

重いクォーク(c)も軽いクォーク(u,d,s)と同等の楕円型集団運動

N. Xu, SQM 2006, PHENIX ( , K, p, J/ ): PRC69, 034909(04), QM05; STAR ( , , ): QM05

AuAu Central charm hadron

AuAu Central , K, p

AuAu Central strangeness hadron

SQM06, Yifei Zhang

RHIC

SPS SPS

more hints of charm quark collectivity

PHENIX J/

PBM et. al. QM06

J/ would need re-generation, both J/ and open charm spectra are consistent with small transverse radial flow, which might be built up during partonic stage…

hydro-dynamic model

Single spectraHBT radii

ther

mal

free

ze-o

ut te

mpe

ratu

re

transverse flow velocity

静的な粒子源(膨張している)動的な粒子源

2粒子相関法により発生源サイズの大きさを測る。

The ellipse is still vertical (negative w.r.t. R.P.), but | | is smaller than at AGS (closer to circle)

20,

22,

2222

/2

/

ssfinal

xyxyinitial

RR

RRRR

initial final

陽子や重陽子＋原子核　衝突

Au+Au

d+Au

原子核＋原子核衝突

Au Au

Au d

0-10% CENTRALNcoll =975±94

Yield Suppressed!

70-80% PERIPHERALNcoll =12.3 ±4.0

pT [GeV/c]pT [GeV/c]

Au + Au Experiment

d + Au Experiment

phenix

Au d

バリオン（３ｑ）

メソン（２ｑ）

p+p jet+jet (STAR@RHIC)

Au+Au ??? (STAR@RHIC)

nucleon nucleonparton

jet

jet

p p

Au Au

jet

p p

Leadinghadrons

Medium

STARpreliminary

0-12% 200 GeV Au+Au

PHENIX nucl-ex/0611019

PHENIX Preliminary10-20% Au+Au 200GeVpT

trig=2.5-4 GeV/cpT

assoc=1-2.5 GeV/c

STAR preliminary0-12% Au+Au 200GeVpT

trig=3-4 GeV/c pT

assoc=1-2 GeV/c

CERES preliminary

0-5% Pb +Au 17GeV pT

trig=2.5-4 GeV/c pT

assoc=1-2.5 GeV/c

CERES preliminary0-5% Pb +Au 17GeV pT

trig=2.5-4 GeV/c pT

assoc=1-2.5 GeV/c

jet modification and cone like structure

The bulk and jet interaction is there, but in Cu+Cu/Au+Au and SPS-RHIC?!?

Physics Motivation: em probes

space

time

Hard Scattering

AuAu

Expan

sion

Hadronization

Freeze-out

QGPThermaliztion

e- e+

electro-magnetic radiation: , e+e-, + -rare, emitted “any time”; reach detector unperturbed by strong final state interaction

通常の核吸収から更にJ/ の減少

Normal nuclear absorption6.4 +- 0.8 mb

Color Screening

cc

J/ の減少の閾値的振る舞い

another hint of charm quark collectivity

NA50 at SPS (0<y<1)PHENIX at RHIC (|y|<0.35)

Bar: uncorrelated errorBracket : correlated errorGlobal error = 12% is not shown

電子対質量

質量変化？

QGP（高温・高密度物質）中で質量変化の測定

KEK－PS

CERN－SPS

e+e-

e+

e-

不変質量法(崩壊して出てきた粒子の運動量やエネルギーから元の親粒子の質量を求める。)

Clear enhancement is observed Clear enhancement is observed in the mass region below in the mass region below ..

BNL－RHIC

アメリカ、ブルックヘブン国立研究所、相対論的重イオン衝突型加速器

未知の物質ＱＧＰ、 「完全流体の状態」解明

－米国立研と東大など、従来予想を覆す－

宇宙誕生の直後に存在していたと考えられるクォーク・グルーオン・プラズマ（ＱＧＰ）と呼ばれる未知の物質状態が、粘性の働かない完全流体の状態であることを、米国ブルックヘブン国立研究所、東京大学、筑波大学、広島大学、理化学研究所などの国際共同実験ｸﾞﾙｰﾌﾟが実験で突き止めた。ＱＧＰは物質を形づくる最小の基本粒子クォークと、クォーク間に働く力を媒介する粒子グルーオンが自由に飛びまわる気体の状態だという従来の予想に反する成果で、宇宙創成期に物質がつくられる過程の解明に手がかりを与えそうだ。 (日経産業新聞 2005.04.19）

asahi.comトップ > サイエンス > ニュース宇宙の始まりはしずく？　「クオークは液体」と発表2005年04月18日

　宇宙誕生の大爆発「ビッグバン」直後に相当する超高温・高密度の状態を再現する実験をしてきた日米などの国際チームは１８日、物質を形づくる究極の基本粒子クオークは超高温でバラバラになるが、気体のように自由に跳び回るのでなく、しずくのような液体状態にあったと考えられる、と発表した。理論的に予想外の発見で、宇宙や物質のなりたちを説明するシナリオに影響を与える可能性がある。

　基本粒子クオークとそれらをくっつける「のり」の役をするグルーオンという素粒子は、超高温の宇宙初期にはバラバラで存在していたが、冷えた今の宇宙では、強い力で陽子などの中に閉じこめられ、１個ずつ引き離すのは難しい。

　チームは００年から米ブルックヘブン国立研究所で、ほぼ光速で走る金のイオン同士を衝突させ、ビッグバンの数十万分の１秒後にあたる１兆度以上の「クオークとグルーオンのかたまり」を作ってきた。そこから飛び出した粒子の軌跡などを解析したところ、かたまりは、粘り気がないサラサラした液体の性質を示すことが分かった。

レマン湖

ジュネーブ空港

スイスアルプス

セルン研究所

ジュネーブ市街

スイス－フランス国境のジュネーブ郊外、欧州共同原子核研究機構（CERN）におけるＬＨＣ－ＡＬＩＣＥ実験