1 J/y Production in High Energy Heavy Ion Collisions at RHIC (RHICでの高エネルギー重イオン衝突に おけるJ/y生成) Ph. D. Dissertation Defense Taku Gunji Graduate School of Science University of Tokyo (35-47024)

Outline Quark-Gluon-Plasma（QGP） 本研究の目的 PHENIX Experiment Data Analysis 2 Quark-Gluon-Plasma（QGP） 本研究の目的 PHENIX Experiment Data Analysis Results and Discussion Summary

Quark-Gluon-Plasma 通常の核物質 高温高密度核物質 格子QCD計算 高エネルギー重イオン衝突実験 3 開放された系(Quark-Gluon-Plasma, QGP) 非摂動論的QCD多体系、初期宇宙。 格子QCD計算 Tc ~ 170 MeV ec~ 1 GeV/fm3 高エネルギー重イオン衝突実験 QGP実現の唯一の実験的手法 SPS(√sNN = 17-20 GeV) ~1998 RHIC (√sNN = 200 GeV) 2000~ LHC (√sNN = 5.5 TeV) 2008~

本研究の目的 QGP中でのColor Screeningによる 4 QGP中でのColor Screeningによる J/y収量の減少T.Matsui & H. Satz PLB178 416 (1986) 非閉じ込め状態のSignature QGP中でのDebye Screening Debye半径 < Rcc c-cbarはBoundしない（収量の減少）。 収量の減少は、QGP中のパートン密度、温度に依存する。 最近の格子QCD計算によれば、 J/yの溶解温度　~1.5-2.5Tc ccやy’の溶解温度　~1.1Tc T. Hatsuda, M. Asakawa, PRL. 92 (2004) 012001 S. Datta, et al., PRD69 (2004) 094507 RHICエネルギーで、J/y収量の中心衝突度依存性を測定し、 系の非閉じ込め状態の証拠を捉える事及びJ/y収量抑制の 理解を目指す。

SPSエネルギーでのJ/y測定 NA38(S+U@19.4 GeV)、NA50(p+A@19.4 GeV, Pb+Pb@17.3GeV) 重イオン衝突に 関与しなかった核子 とJ/yの衝突による 収量抑制。 (Nuclear Absorption) Nuclear Absorption を超える大きなJ/y収量の抑制。 　QGPの兆候？ Pb+Pb L:J/yの、原子核中の実効的な path length 衝突エネルギーの大きなRHICにおける J/y収量測定で決着したい。 PB

Relativistic Heavy Ion Collier 6 Relativistic Heavy Ion Collider 2 counter-circulating rings 3.8 km circumference 9.4MHz Bunch-Crossing Top energies (each beam): 100 GeV/nucleon Au-Au. 250 GeV polarized p-p. Luminosity Au+Au : 2 x 1026 [cm-2s-1] p+p : 2 x 1031 [cm-2s-1] Year4 Au+Au collisions 2004 Jan. – 2004 March √sNN = 200 GeV Recorded luminosity ~ 240 mb

PHENIX Detectors Central Arm (|h|<0.35) Global detector DC, PC1 7 Central Arm (|h|<0.35) DC, PC1 Momentum & Tracking RICH Electron ID EMCal (PbSc, PbGl) Energy Hit Position Global detector BBC & ZDC Trigger, z vertex Collision geometry

重イオン衝突の描像 衝突係数によって原子核衝突の様相が決まる。 Ncoll Npart b(fm) 9 18 8 衝突関与部(Participants)と不関与部(Spectator) Npart ：　衝突に関与する核子数　(Npart=2 in p+p) Ncol　：　核子・核子の非弾性衝突回数 (Ncol=1 in p+p) ハードなプロセス。　Jet, Direct Photon, heavy quark生成　 原子核内の核子分布Geometricalなモデル計算(Glauber Model) b(fm) Ncoll Npart 18 9 1200 400

中心衝突度(Centrality)の決定 9 Centrality:衝突係数に対応。 Participant領域で出来た粒子数(BBCで検出)とSpectator領域の中性子数(ZDCで検出）の相関で決定。 Npart, Ncol, bをGlauber ModelをBaseにした計算と対応させる。 b EZDC QBBC Centrality [%] Number of Collisions Number of Participants 0-5% 15-20% 10-15% 5-10%

Ncol Scaling HardなProcessはNcolでスケールする。 10 HardなProcessはNcolでスケールする。 Au+Au衝突におけるHigh pT Direct Photonの生成。 点：　Au+AuにおけるDirect Photonの スペクトル。 線：　p+p衝突におけるDirect Photonの スペクトルをNcolでスケールした線。

電子同定の流れ EMCal RICH Drift Chamber 11 Energy measurement Hit Position E/p=1 for electrons Hit Position ＲＩＣＨ PMT array EMCal mirror RICH Gas: CO2 (bgth35) Pth(e) 18 MeV/c Pth() 4.9 GeV/c 96 Spherical Mirrors 5120 PMTs (f=3cm) Drift Chamber R~220cm Tracking efficiency ~ 99% Momentum resolution

電子に対するResponse RICH EMCal 12 E/p-1=0 for electrons RICHへのRandom AssociationをZ-Flip法で見積もる。 All particles RICH cut RICH+EMCalで 　Rejection factor ~ 1000 @ 90% eff.　(MB collisions) ~ 4000 @ 90% eff.　(peripheral collisions) 　BG < 25% BG (Random Association to RICH)

13 Data Analysis

Invariant yield Invariant Yield の定義。 解析方法（主に） 実データにおけるJ/yのカウント。 14 Invariant Yield の定義。 解析方法（主に） 実データにおけるJ/yのカウント。 J/yのアクセプタンス、検出効率の評価。 Single J/ye+e-のMonte Carlo Simulation 検出効率の中心衝突度依存性の評価。 Embedding simulation (B = branching ratio of J/y to e+e- : 5.93% )

J/yのカウント 1 event内の全ての電子対に対して、Invariant massを計算 15 1 event内の全ての電子対に対して、Invariant massを計算 Back GroundをEvent Mixing法で評価。統計的に差し引く。 差し引いた後のce & cbare、DYe+e-によるContinuumの寄与(10%)。 Internal + external radiationを入れたSimulationと合う。 MB (0-93% centrality)で956個同定。 NJ/y(2.9<M<3.3) = 956.6 +- 47.1 All centrality Unlike sign Mixed unlike sign

J/yの検出効率 16 GEANTによるSimulation。J/ye+e-を生成し、PHENIXに入れて、再構成する。(Flat z-vertex, rapidity, pT) DetectorのDead Map Cut ParameterのTuning Real DataとのCross Check eID efficiency Real dataはconversion pairを使用 Real simulation (E/p-1) s(E/p) J/y detection efficiency -30<z<30 cm -0.5<y<0.5

J/yの検出効率の中心衝突度依存性 Simulationで使用したJ/ye+e-をReal Dataに混ぜて 17 Simulationで使用したJ/ye+e-をReal Dataに混ぜて J/yが再構成されるかで評価。(Embedding Simulation) Cut Parameterの中心衝突度依存性をReal DataとEmbedding SimulationでCheck eID efficiencyのCentrality依存性とのCross Check Real data Embedding simulation

Results and Discussion 18 Results and Discussion

pT distribution and Comparison to p+p 19 pT分布をNcol でスケールし、p+p の結果と比較。 0-10% 10-20% 20-30% 30-40% p+p collisions Au+Au (0-10%) Au+Au (10-20%) Au+Au (20-30%) Au+Au (30-40%) Au+Au (40-60%) Au+Au (60-93%) 40-60% 60-93%

Nuclear Modification Factor (RAA) 20 RAAの定義: A+A衝突におけるYieldをp+p衝突から予想される収量で割ったもの。 2005年に取得されたp+p衝突のJ/y Yieldを分母に使用。hep-ex/0611020 2003年に取得されたd+Au衝突 のJ/y Yield(RdAu)測定から J/y生成に影響する原子核効果 をEstimate。 Nuclear Absorption Gluon Shadowing 原子核中のGluon分布関数の変化。 PHENIX mid-rapidity PHENIX, PRL 96 (2006) 012304

RAA vs. Npart J/y yield is suppressed in central collisions. 21 J/y yield is suppressed in central collisions. 0.25 (most central) ~ 0.75 (peripheral) Bar : uncorrelated sys. error Bracket : correlated sys. Error Box : Error of TAB Band : Error from p+p

原子核効果との比較 原子核効果(CNM) (gluon shadowing, nuclear absorption) 22 原子核効果(CNM) (gluon shadowing, nuclear absorption) 2003 d+Au実験からEstimate。Au+Auに外挿。 中心衝突では、CNMでは説明できない大きな抑制。 sabs = 0 mb sabs = 3 mb RdAu dAuにおけるJ/y収量 RdAuのRapidity依存性 PHENIX, PRL 96 (2006) 012304 R. Vogt, nucl-th/0507024

Dissociation by gluons 23 Thermal GluonsによるJ/yのDissociation DissociationはGluonの密度(系の温度)に依存。 SPSのJ/y Suppressionをよく記述。 R.Rapp et al., PRL 92 (2004) 212301 温度やGluon密度をRHIC にextrapolation。 SPS  RHIC : ~10x collision energy ~2-3x gluon energy density R.Rapp et al, EPJC43 (2005) 91 N. Xu at al, nucl-th/0608010 大きな抑制を予測。実験結果と合っていない。

Recombination of J/y Coalescence of c-cbar J/y 24 Coalescence of c-cbar RHICエネルギーでは、ccbarが多く生成される。 Ncc~20個(@Central Collision)　[SPSでは、0.2個] 異なる核子・核子衝突から来るccbarのRecombination Dissociation + Recombination of J/y R.Rapp et al, EPJC43 (2005) 91 N. Xu at al, nucl-th/0608010 total total recombination dissociation dissociation recombination 全体の抑制Levelはあうが、中心衝突度依存性は再現できていない。

Toy Model Calculation 25 過去の様々な実験で、約40%のJ/yはccやy’からのDecay　(Feed Down)であるとReportされている。(CDF,HERA-B,ISR) 最近の格子QCD計算では、J/yは高い温度(1.5-2.5Tc) で溶解し、y’やccは低い温度(1.1Tc)で溶解する。 RHICにおけるQGPの時空発展は流体模型で記述できる。 この3つを考慮した新しいモデルを構築した。 ある温度以上でJ/y (y’, cc) が溶解すると仮定して、 流体計算をベースとした衝突の時空発展における J/y (y’, cc) meltingをFeed Down効果も含めて検証した。 QGP流体に関するパラメター (Provided by T. Hirano) Initial Formation Time = 0.6fm/c、Tc=170 MeV Composition ; Mass less u,d,s quarks and gluons T. Hirano et al., PRC65 (2002) 011901 PRC66 (2002) 054905 PRC69 (2004) 034908

Evolution of medium b=2.1fm (0-5% centrality) b=10.8 fm (50-60%) 26 b=2.1fm (0-5% centrality) 各時間における温度Map Provided by T. Hirano b=10.8 fm (50-60%) 各時間における温度Map Provided by T. Hirano

Survival Probability S(y) 27 J/y x0 f b (pT) J/y、ccをQGP中で動かす。Free Streamingを仮定。 x0をNcolの空間分布に従って設定。 bをf、pTで決定。 xJ/y(t)の点で温度が溶解温度(TJ/y、Tcc)を超えるとJ/y、ccが完全に溶解されると仮定。 Free Parameter Tdiss(J/y), Tdiss(cc, y’), fFD (feed down from cc and y’) J/y (pT,x0) 1 T Tdiss(y) Sy S(J/y) = (1-fFD) x S(direct J/y) + fFD x S(cc, y’)

Result Real DataのRAAをCNM効果で割る。SJ/yと定義しモデルと比較。 このモデルで、J/yの抑制を再現。 28 Real DataのRAAをCNM効果で割る。SJ/yと定義しモデルと比較。 このモデルで、J/yの抑制を再現。 J/yの溶解温度=2.12Tc, ccの溶解温度=1.34Tc Feed Downは25% Npart<160までは ccやy’からのJ/yの抑制 Npart>160以上は Feed DownによるJ/yと 直接生成J/yの抑制 (Npart>160で温度が 2.12Tcを達成。 Slopeは温度の空間分布を 反映。)

Tdiss(J/y) dependence 29 fFD：エラーの範囲内で様々な実験結果とConsistent

RHIC+SPSの収量抑制 横軸＝Bjorken Energy density (t0=1fm/cと仮定。) 30 Npart>160  ebj> 3.5 [GeV/fm3] で直接生成J/yの抑制。 SPSでのJ/y Suppressionは ccやy’のみが抑制されていると 解釈できる。

Summary 31 Quark-Gluon-Plasmaを検証し、性質解明を行うため、RHICエネルギーにおけるAu+Au衝突でのJ/y Yieldの測定を中央Rapidity領域に対して行った。 p+p衝突との比較では、中心衝突で~4倍の収量抑制を観測。 原子核効果では説明つかない大きな抑制。 Thermal GluonによるDissociationでは説明つかない。 Recombinationを入れた方が抑制レベルはよくあう。しかし中心衝突度依存性は再現できていない。 ある温度以上でJ/yが溶解すると仮定して、流体計算をベースとした衝突の時空発展におけるJ/y meltingを検証した。 ccやy’の抑制も同時にStudyし、Feed Downの効果も取り入れた。 抑制パターンはこのモデルで非常によく再現。 Npart>160以上で直接生成J/yの溶解。直接生成J/yの溶解温度は、Feed Down Fractionやccの溶解温度に大きく依存もせず、2.12Tc付近であった。c2 テストを行い1s のエラーで、J/yの溶解温度は、(2.12+0.09-0.03）Tc。 最近のLattice計算といい一致。