熱直接 光 子 は見えるのか？ Hisayuki Torii, Hiroshima Univ. 2007/12/21 Heavy Ion 阪大

2007/12/21 Heavy Ion Pub 2 目次 光子プローブに期待すること 直接光子の測定方法 光子をプローブとしたＱＧＰ研究からこれま で何を学んだのか？ LHC における光子測定 まとめ 注意）検出器の話はほとんど出てこないので最後まで聞いて ね

2007/12/21 Heavy Ion Pub 3 概要 まずは、非重イオンハドロン衝突 ( 陽子 - 陽子など ) からの直 接光子 (QCD 光子 ) 生成について簡単にまとめます。次に、重 イオン衝突におけるクォークグルーオンプラズマの物理を 進めるにあたり、直接光子がどのような役割を果たしてい くと期待されているのか、を出来るだけ分かりやすく説明 したいと思います。その上で、 SPS,RHIC におけるこれまで の結果を用いて実験並びに理論的側面から何が分かったの か、何が分かっていないのかについて、多少個人的な見解 も交えながら議論をしていきたいと考えております。この トークの主題である LHC における光子プローブについて、 その実験的可能性について報告すると共に、幾つかの理論 予想について紹介していきたいと思います。 ここでは、特に若手の皆さんに興味を持っていただけるよ うに、基本的な知識ならびに議論から進めて行く計画です。 その中で、特に理論の皆様に、直接光子を測定する上での 実験手法や苦労について雰囲気が伝われば幸いです。さら に、このトークを通して、 QGP 研究での実験ー理論間の相 互協力の重要性について理解を求めると共に、我々として どういう研究協力が可能か、という議論へ向けてのスター トラインを提供できれば、と考えております。

光子プローブに期待す ること

2007/12/21 Heavy Ion Pub 5 Pre-equilibrium Thermalization QGP phase? Mixed phase Hadronization (Freeze-out) + Expansion Photons from Multi Stage Compton/Annihillation Fragmentation Prompt Photon Jet-Photon Conversion Jet-Bremsstrahlung (QGP) Jet+Medium Thermal Photon (QGP) Thermal Photon (HG) Thermal Photon

2007/12/21 Heavy Ion Pub 6 Decay photons + Decay photon as huge background The decay photon background strongly reduced due to jet suppression in A+A Schematic Spectrum in A+A Thermal Photon (QGP) Thermal Photon (HG) Jet-Photon Conversion Jet-Bremsstrahlung (QGP) Thermal Photon thermal: hard: Jet+Medium Compton/Annihillation Fragmentation Prompt Photon

2007/12/21 Heavy Ion Pub 7 Schematic Spectrum in A+A Thermal Photon (QGP) Thermal Photon (HG) Thermal Photon Compton/Annihillation Fragmentation Prompt Photon p T  ~ T medium ~ 1 GeV (QGP) ~ 200 MeV (HG) p T  ~  QCD T medium ~ 1 GeV (QGP) Jet-Photon Conversion Jet-Bremsstrahlung (QGP) Jet+Medium p T  ~ p T q (Conversion) < p T q (Brems) Jet Compton Fragmentation Conversion Fries et.al.PRL90(2003)132301

2007/12/21 Heavy Ion Pub 8 直接光子測定から分かること Thermal Photon (QGP) Thermal Photon (HG) Thermal Photon Compton/Annihillation Fragmentation Prompt Photon p T  ~ T medium ~ 1 GeV (QGP) ~ 200 MeV (HG) p T  ~  QCD T medium ~ 1 GeV (QGP) Jet-Photon Conversion Jet-Bremsstrahlung (QGP) Jet+Medium p T  ~ p T q (Conversion) < p T q (Brems) Jet Compton Fragmentation Conversion Fries et.al.PRL90(2003) (QGP,HG) の 温度 Medium のエネ ルギー密度 （でいいのかしら？ ） パートン分布 & Ncoll Scaling のチェック ジェットクエン チによりなくな る？

2007/12/21 Heavy Ion Pub 9 直接光子測定から分かること Jet Compton Fragmentation Conversion (QGP,HG) の 温度 Medium のエネ ルギー密度 （でいいのかしら？ ） パートン分布 & Ncoll Scaling のチェック ジェットクエン チによりなくな る？ 直接光子は QGP 研究の宝石箱や ！

直接光子の測定方法

2007/12/21 Heavy Ion Pub 11 直接光子測定は難しい？ 後々のために xT の定義だけ  x T = p T /(  s/2) 直接光子の主なバックグラ ンド :  0  Low pT < 20GeV/c の領域で、  0 の生成量が大きい。  実際には、  0   崩壊の ため、 1/5-1/10 程度しか直接 光子は生成されない。 主に低いエネルギー領域にて 実験的な困難を生じる。 x T = p T /(  s/2) PHENIX run2 data NLO pQCD (CTEQ6M, KKP FF)

2007/12/21 Heavy Ion Pub 12 直接光子測定方法 直接測定  統計的手法 ①バックグランドを全部差し引く  Converter や Double Ratio を使った実験的な工夫あり。  次ページ へ  非統計的手法 ②光子毎に直接光子かどうかの判断をする  Isolation Cut  ３ページ先へ  ハイブリッド手法 ③光子毎に π0 （や η ）崩壊からきた光子でない判断を する。他のバックグランドは統計的手法で差し引く。  4 ページ先へ 間接測定 ④インターナルコンバージョン法  5 ページ先へ

2007/12/21 Heavy Ion Pub 13 バックグラン ド ①測定方法 – 直接測定、統計的手 法 photon Direct Process Fragmentation Process bremsstrahlung radiation 実験的に同定することは不可 能 中性・荷電ハドロンが光子に見えてし まう 衝突点以外からの光子 検出器のノイズ ハドロン (  0, ,  等 ) 崩壊から来る光 子 photon すべてのバックグランドを差し引いた残りを 直接光子生成の信号とする すべてのバックグランドを特定

2007/12/21 Heavy Ion Pub 14 ①測定方法 – 直接測定、統計的手 法 実験的な工夫 with Systematic Errors partially cancel

2007/12/21 Heavy Ion Pub 15 ②測定方法 – 直接測定、非統計的手 法 R EE Isolation cut to reduce background (2)Signal (fragmentation) (3)Background (hadron decay) (1)Signal (direct) compton + annihilation 約 実験系での イメー ジ 約 約 hadron photon jet photon

2007/12/21 Heavy Ion Pub 16 ターゲットとなる光子と周りのすべてとの組み合わせを取るこ とにより、 π 0 中間子からのバッググランドの寄与を差し引くこ とができる。  約 70% の π 0 崩壊からの光子を同定することが可能 検出器のアクセプタン ス 直接光子測定用の領域 光子を検出した際に π 0 から来たものかどう か？ π 0 崩壊からの光子であれば、 もう片方の光子が周りにい る。 ③測定方法 – 直接測定、ハイブリッ ド

2007/12/21 Heavy Ion Pub 17 ④測定方法 – 間接測定 Any source of real photons emits virtual photons with small invariant mass The distribution of the virtual photon mass depends on the emitting source Phase space at higher inv. masses limited for virtual photons from hadron decays Signal/background for virtual direct photons significantly improves with increasing mass Different invariant mass distribution

2007/12/21 Heavy Ion Pub 18 ④測定方法 – 間接測定 any source of real photons produces virtual photons with very low invariant mass Ratios of M inv bins to lowest one (R data ) If no direct photons: the ratios become exactly what can be calculated from Dalitz decay formulae above If excess over calculation: direct photons phase space factor 1 for high p T  Compton q  g q e+e+ e-e- ÷ ÷ ÷ R data Kroll-Wada Formula

光子をプローブとしたＱ ＧＰ研究からこれまで何 を学んだのか？

2007/12/21 Heavy Ion Pub 20 History of p+p/pbar  γ Preliminary Systematic errors are not shown Preliminary 陽子 - 陽子衝突陽子 - 反陽子衝突 過去の実験、陽子陽子、陽子反陽子衝突実験との比較。  ほとんど何かしらの isolation cut が入っている。 クロスセクションは  s とともに大きくなっている。

2007/12/21 Heavy Ion Pub 21 x T スケーリング則 x T スケーリング則 n=5 付近で成 立 xT = pT/(  s/2) QCD 理論によると、以下の仮定  PDF と FF の Q 2 スケーリング  Coupling constant(  s ) が Q 2 に非依存。 n= 定数。 x T =2p T /  s  相互作用項と構造を表す項に分離  x T スケーリング  定数 n に対する予想 Leading order n=4 Next-to-leading order: n=4+  陽子反陽子衝突でも同様のスケーリング則が 得られたことは、低い x T の領域でクォークと 反クォーク分布が似ているためではないかと 推測される。 Preliminary

2007/12/21 Heavy Ion Pub 22 Prompt Photon in p+p/pbar Photon is penetrating probe since it’s lower cross section with matter 直接光子はパートン構造を知る上で良いプローブである NPA783(2007)395,P.Aurenche と、誰もがいうけど、 CTEQ 他のパートン分布決定に入力として入っていないの も事実。

2007/12/21 Heavy Ion Pub 23 QGP 探索の歴史  p=0.8 GeV/A,  sNN=1.8 GeV  p=14.6 GeV/A,  sNN=5.4 GeV  p=160 GeV/A,  sNN=17 GeV  p= GeV/A,  sNN=200 GeV  p= GeV/A,  sNN=5500 GeV

24 CERN-SPS-WA98: Pb+Pb  s NN =17 GeV Hydro calculations : Prompt + QGP  Mixed phase  HG Prompt Photon だけでは説明で きない Enhancement あり Srivastava and Sinha nucl-th/ QGP シナリオと consistent

2007/12/21 Heavy Ion Pub 25 BNL-RHIC-PHENIX: Au+Au  s NN =200 GeV PHENIX p+p 衝突の重ね合わせで記述できる。

2007/12/21 Heavy Ion Pub x T Au+Au minimum bias gq ->  q is main contribution BNL-RHIC-PHENIX: Prompt Photon x=0.1 から 0.2 にかけて 20 ％の減少がみられた  次のページへ

2007/12/21 Heavy Ion Pub 27 BNL-RHIC-PHENIX: Prompt Photon pQCD Photon = Direct Photon + Fragmentation PRL98(2007)012002, PHENIX direct Fragmentation calculation by W. Vogelsang At RHIC energy, the fragmentation contribution is not negligible, ~30% at 10GeV/c photon. p+p Au+Au Isolation cut により直接光子の収量が減 る。 Fragmentation + Underlying Event により説明 可能 Isospin effect + Fragmentation Quenching is consistent with data Hep-ph/ , by F.Arleo Arleo JHEP 0609 (2006) 015

2007/12/21 Heavy Ion Pub 28 BNL-RHIC-PHENIX: Thermal Photon NLO pQCD A particular thermal Model  2+1 hydro,  0 =0.15 fm/c  T 0 ave =360 MeV(T 0 max =570 MeV)  The data are consistent with thermal + pQCD  pQCD questionable down to low pT needs confirmation from analysis of p+p data L.E. Gordon, W. Vogelsang Phys. Rev. D48, 3136 (1993) D. d’Enterria, D. Peressounko nucl-th/

2007/12/21 Heavy Ion Pub 29 QGP-Thermal Jet-photon NLO-pQCD All Interaction of hard- scattered parton with dense matter.  Compton scattering (jet- photon conv.) R.J. Fries, Phys.Rev. C72 (2005)  Over estimation at high-pT S. Turbide, Phys.Rev. C72 (2005)  Reproduce data well  Bremsstrahlung B.G. Zakharov, JETP Lett. 80 (2004) 1 Jet-quenching effect for fragmentation photons are estimated with AMY formalism. BNL-RHIC-PHENIX: Jet-Medium もう少し理解が必要

2007/12/21 Heavy Ion Pub 30 で、何を学んだの？ Thermal Photon (QGP) Thermal Photon (HG) Thermal Photon Compton/Annihillation Fragmentation Prompt Photon p T  ~ T medium ~ 1 GeV (QGP) ~ 200 MeV (HG) p T  ~  QCD T medium ~ 1 GeV (QGP) Jet-Photon Conversion Jet-Bremsstrahlung (QGP) Jet+Medium p T  ~ p T q (Conversion) < p T q (Brems) Jet Compton Fragmentation Conversion Fries et.al.PRL90(2003)132301

2007/12/21 Heavy Ion Pub 31 で、何を学んだの？ Thermal Photon (QGP) Thermal Photon (HG) Thermal Photon Compton/Annihillation Fragmentation Prompt Photon p T  ~ T medium ~ 1 GeV (QGP) ~ 200 MeV (HG) p T  ~  QCD T medium ~ 1 GeV (QGP) Jet-Photon Conversion Jet-Bremsstrahlung (QGP) Jet+Medium p T  ~ p T q (Conversion) < p T q (Brems) Jet Compton Fragmentation Conversion Fries et.al.PRL90(2003) 直接法では実 験の系統誤差 が大きすぎる 。 温度は理論計 算依存性が大 きい。 存在している かどうかわか らん 他 (Thermal+Prompt) だ けでも説明できちゃう 。 パートン分布 & Ncoll Scaling の チェックができた 。 ジェットクエンチ により無くなった かどうかまだ分か らん

2007/12/21 Heavy Ion Pub 32 で、何を学んだの？ Jet Compton Fragmentation Conversion 直接法では実 験の系統誤差 が大きすぎる 。 温度は理論計 算依存性が大 きい。 存在している かどうかわか らん 他 (Thermal+Prompt) だ けでも説明できちゃう 。 パートン分布 & Ncoll Scaling の チェックができた 。 ジェットクエンチ により無くなった かどうかまだ分か らん 直接光子は QGP 研究の宝石箱や ！ ===== 天気図

LHC における光子生成

2007/12/21 Heavy Ion Pub 34 Realistic Prediction for LHC (1) 1-15GeV/c Photon caused from Hot Matter = QGP PRC72(2005) S.Turbide, C.Gale, S.Jeon, G.D.Moore Turbide, Rapp, Gale, Phys. Rev. C 69 (014903), 2004 One of predictions Thermal Photon from HG: <1GeV/c Thermal Photon from QGP: 1-5Gev/c Jet + Hot Matter : 5-15GeV/c Prompt Photon : >15GeV/c Wider and Higher energy range than that at RHIC energy

2007/12/21 Heavy Ion Pub 35 Initial conditions of hydro corresponds to dN hadr /dy~2000 => scale properly decay photon yield from slide 1 Realistic Prediction for LHC (2) nucl-th One of predictions Thermal Photon from HG: <0GeV/c Thermal Photon from QGP: 0-4Gev/c Prompt Photon : >4GeV/c <4GeV/c Photon caused from Hot Matter = QGP

2007/12/21 Heavy Ion Pub 36 Realistic Prediction for LHC (3) Hep-ph/ GeV/c Photon caused from Hot Matter = QGP

2007/12/21 Heavy Ion Pub 37 理論予想値と予想系統誤差 もし Jet Quenching が起こったならば、 pT>3GeV の領域にて系 統誤差よりも優位な信号が見えるはず。

2007/12/21 Heavy Ion Pub 38 Good News for LHC Suppression of Prompt Photon? This is a good news for LHC energy. Hep-ph/0707,2320, by F.Arleo 70% suppression もし、 Prompt Photon のうち Fragmentation の項が Jet Quenching 効果により減衰するかもしれない。

2007/12/21 Heavy Ion Pub 39 将来計画 2007 年 2008 年 2009 年 2010 年 2011 年 2012 年 2013 年 14TeV p+p 5.5TeV Pb+Pb p+Pb 1/20 luminosity (5x10 25 ) Designed luminosity (10 27 ) 第二, 三モジュール 第四、五モジュール 建設 調整 建設 5.5TeV Pb+Pb full luminosity run までに 全モジュール完成予定 インストー ル LHC Close in 08/May 建設 調整

2007/12/21 Heavy Ion Pub 40 multiquarks meson baryon penta tetra quark-matter few-body many-body Y.Enyo さんのトラペをおかりして RHIC LHC

2007/12/21 Heavy Ion Pub 41 LHC における熱光子測定にむけて LHC において有利な点  温度が高い  Thermal Photon が見えやすくなる。 一方、その解釈となると、  Prompt Photon: p+p 測定や pQCD 計算が必要  Thermal Photon: Hydro 計算が必要 熱光子であるという実験的証拠はどこにある？  Inclusive 測定だけでは限界があるのでは？ Photon-jet イ ベントをタグして、 prompt photon を積極的に落としてい く必要があるのでは？ NLO-pQCD イベントジェネレータ を探し中。  Jet-Medium 散乱からくる直接光子付近にはどういう粒子 生成があるのか？ Hydro Event Generator ってのは無理なのかしら？

2007/12/21 Heavy Ion Pub 42 おしまい ご静聴ならびにたくさんの質問、 議論ありがとうございました。