Production of Charmonia in Cu+Cu and p+p collisions at √sNN=200GeV 1/41 Production of Charmonia in Cu+Cu and p+p collisions at √sNN=200GeV 学籍番号35-57017 織田 勧(おだ すすむ) 博士学位論文審査会 2008年1月29日(火)午後3時30分-

陽子衝突におけるccJ/y+ge+e-g 2/41 この発表の内容 クォーク・グルオン・プラズマ(QGP) 物理的動機・背景 RHIC-PHENIX実験 データ解析 結果および議論 まとめ 銅原子核衝突におけるJ/ye+e- 陽子衝突におけるccJ/y+ge+e-g

クォーク・グルオン・プラズマ(QGP) 原子核 QGP 理論予想 実験手法 クォークとグルオンが閉じ込められている 3/41 クォーク・グルオン・プラズマ(QGP) 原子核 クォークとグルオンが閉じ込められている QGP 高温高密度で、閉じ込めから開放された相 理論予想 温度150-200MeV以上 エネルギー密度~1GeV/fm3以上で実現 実験手法 高エネルギー重イオン衝突

高エネルギー重イオン衝突の描像 4/41 衝突に関与する核子 (participant) 衝突に関与しない核子 (spectator) 衝突して生成された粒子 衝突前 衝突後 Npart 赤:金+金 青:銅+銅 衝突係数bによって様相が変わる。 衝突に関与する核子数(Npart) 陽子陽子(p+p)衝突では2個 核子・核子の非弾性衝突の回数(Ncoll) p+pでは1回 Geometricalなモデル計算で推定(Glauberモデル) Ncoll 赤:金+金 青:銅+銅

高エネルギー重イオン衝突でのJ/y生成 衝突前 : 衝突初期 : 熱平衡 : 5/41 高エネルギー重イオン衝突でのJ/y生成 衝突前 : Nuclear shadowing 原子核中でのグルオン分布の変化 衝突初期 : 2つのグルオンの衝突により、J/y(の前駆状態)ができる 生成数はNcollに比例するはず Nuclear absorption / breakup J/yと核子の衝突により生成されたJ/yが分解する 熱平衡 : QGP中でのカラー遮蔽により、J/yが分解する J/yは電子対(e+e-)やミューオン対(m+m-)に崩壊する(分岐比~6%)ので、実験で捉えやすい。

動機:QGPのプローブ としてのチャーモニウム 6/41 動機:QGPのプローブ としてのチャーモニウム QGP中ではチャーム(c)クォークと反チャーム(c-bar)クォークを結びつけるグルオンが遮蔽され、チャーモニウムを形成しない。 1986年 松井・Satz チャーモニウムの収量の減少 QGP生成の証拠 cc-bar間のポテンシャルは 温度に依存する

チャーモニウムの系 分解温度が束縛エネルギー に依存すると予想される クォーコニウムがガリレオ 温度計として使える 7/41 hc(1S) J/y(1S) y(2S) cc0(1P) cc1(1P) cc2(1P) hc(1P) JPC 0-+ 1-- 0++ 1++ 1+- 2++ DDbar threshold 質量 分解温度が束縛エネルギー に依存すると予想される クォーコニウムがガリレオ 温度計として使える 半径 温度

“熱い”QGPがなくても減少して見える “冷たい”原子核物質(CNM)の効果 8/41 “熱い”QGPがなくても減少して見える “冷たい”原子核物質(CNM)の効果 チャーモニウムは主に2つのグルオンの衝突によって生成されるが、グルオンの分布は原子核と陽子の中で異なる。 Nuclear shadowing 20%程度の不定性 チャーモニウム(とその前駆状態)が原子核中の核子と衝突して、吸収・分解されてしまう。 Nuclear absorption / breakup anti- shadowing Fermi motion shadowing EMC effect RHICでのcc-bar生成

CERN-SPSでのJ/y, y’の結果 Bs(J/y)/s(DY) J/y y’ 9/41 CERN-SPSでのJ/y, y’の結果 Bs(J/y)/s(DY) J/y y’ 生成されたチャーモニウムが 通過する原子核の距離L 核子対当りの重心エネルギー√sNN=17.3, 19.4GeV 鉛原子核衝突, 208Pb+Pb 硫黄・ウラン原子核衝突, 32S+U CNMを考慮しても、それよりさらに強い収量抑制が見えた。 QGP生成の兆候 L

BNL-RHICでの√sNN=200GeVでの金原子核衝突(Au+Au)の結果 10/41 BNL-RHICでの√sNN=200GeVでの金原子核衝突(Au+Au)の結果 RAAが1未満であり、収量抑制を示している 最中心衝突で0.3未満 Npart<100では統計量が少なく、Ncollの系統誤差が大きい

J/yとcc Color evaporation modelでは生成されるJ/yのうち と予想している。 11/41 J/yとcc Color evaporation modelでは生成されるJ/yのうち 6割が直接J/yとして生成 3割がccからのJ/y 1割がy’からのJ/y 1%がBからのJ/y と予想している。 でも、クォーコニウムの生成機構を十分よく説明する理論モデルはない。 ccに関してはハドロン衝突の際の実験データは少なく、大きなばらつき。 RHICでの測定が必要 J/yのうちccの崩壊からできたものの割合。 BR(cc1J/yg)=35.6 +/- 1.9% BR(cc2J/yg)=20.2 +/- 1.0%

12/41 研究の目的 SPSより重心エネルギーが10倍以上高いBNLのRHICのPHENIX実験でチャーモニウムを用いて高温高密度状態を系統的に調べる。 Npartが100以下で高統計、高精度のデータが取得できる銅原子核(63Cu+63Cu)衝突の際のJ/yの収量を測る。 J/ye+e- CNMの理解 QGP中でのJ/yの分解温度を調べる 陽子(p+p)衝突でJ/yのうちccからできた割合Rccを測る。 ccJ/y+ge+e-g J/yの生成源の中で不定性が最も大きい 分解温度の束縛エネルギー依存性のために重要

RHIC加速器 周長3.8km 100GeVのビーム同士をぶつける。 13/41 RHIC加速器 周長3.8km 100GeVのビーム同士をぶつける。 p (A=1), d (A=2), Cu (A=63), Au (A=197) PHOBOS BRAHMS PHENIX STAR

RHICのRunの履歴 年 Run 核種 sNN PHENIXの 積分ルミノシティ 2000 1 Au+Au 130 GeV 1 b-1 14/41 RHICのRunの履歴 年 Run 核種 sNN PHENIXの 積分ルミノシティ 2000 1 Au+Au 130 GeV 1 b-1 2001 2 200 GeV 24 b-1 2002 p+p 0.15 pb-1 3 d+Au 2.74 nb-1 2003 0.35 pb-1 2004 4 241 b-1 324 nb-1 2005 5 Cu+Cu 4.8 nb-1 3.8 pb-1 2006 6 10.7 pb-1 2007 7 813 b-1 2008 8 ~80 nb-1 予定

PHENIX検出器 Midrapidity(ビーム軸と垂直方向) (|y|<0.35, Df=p/2x2, 電子、光子、ハドロン) 15/41 PHENIX検出器 Midrapidity(ビーム軸と垂直方向) (|y|<0.35, Df=p/2x2, 電子、光子、ハドロン) トラッキング ドリフトチェンバー(DC) MWPC(PC1) 電子識別、トリガー ガスチェレンコフ検出器(RICH) 電磁カロリメータ(EMCal) Forward rapidity(ビーム軸方向) (1.2<|y|<2.2, Df=2p, ミューオン) トラッキング MWPC ミューオン識別 ドリフトチューブ 鉄製吸収材 Vertex(衝突点)、centrality (~衝突係数)、トリガー チェレンコフ検出器(BBC) 時間情報、荷電粒子の多重度

事象トリガー J/ye+e- 非弾性衝突であることのMinimum Bias (MB) トリガー 16/41 事象トリガー 非弾性衝突であることのMinimum Bias (MB) トリガー 前方・後方のBBCともに1本以上ヒットがあること PHENIX検出器の中心からビーム軸方向に前後30cm以内で起きたこと 1つ以上の(陽)電子が放出されたことのトリガー(EMCal-RICHトリガー(ERT)) +MBトリガー EMCalに大きなエネルギー(0.6-1.1GeV以上)があり、 対応するRICHのPMTにヒットがあること Beam-Beam Counter EMCal RICH J/ye+e- 少なくともどちらか一方を捉え、トリガーに使う。

データ解析 衝突係数、centrality 17/41 データ解析 衝突係数、centrality 0-5% 5-10% 90-94% 10-20% 90-94% 0-10% 0-5% 5-10% 90-94% b=0 fm 2つのBBCの電荷の和をスライスして、 centrality(衝突中心度)を決める。 中心衝突(bが小)がcentrality=0%で、 一番端であたった衝突(bが大)がcentrality=94% MBトリガーの検出効率が94% b=10 fm

飛跡・ 3次元運動量の決定 VertexはBBCの時間情報で決める。 DCでf方向の飛跡を決定し、横運動量を求める(積分磁場0.78Tm)。 18/41 飛跡・ 3次元運動量の決定 VertexはBBCの時間情報で決める。 p+pで約2cmの位置分解能 DCでf方向の飛跡を決定し、横運動量を求める(積分磁場0.78Tm)。 PC1(MWPC)でz方向の位置を決め、3次元運動量にする。 pT=1GeV/cで約1%の運動量分解能

電子識別(1/2) リング・イメージング・チェレンコフ検出器のリングの領域に2本以上PMTがヒットしていることを要求 1気圧CO2ガス 19/41 電子識別(1/2) リング・イメージング・チェレンコフ検出器のリングの領域に2本以上PMTがヒットしていることを要求 1気圧CO2ガス 18MeV/c以上の電子 4.9GeV/c以上のパイオン 私が運用・較正・保守を担当

電子識別(2/2) 光子識別 EMCal Cu+Cuでのハドロンの除去能~300 @~95%の電子の検出効率 EMCal p02g 20/41 電子識別(2/2) EMCal 電磁シャワーだと仮定して、光量からエネルギーを再構成する。 エネルギーと運動量の比(E/p~1)、z方向、f方向の位置の飛跡の外挿点からのずれの情報を使って、ハドロンのバックグラウンドを減らす。 Cu+Cuでのハドロンの除去能~300 @~95%の電子の検出効率 -2 6 -4 4 -4 4 E/p f方向のずれ z方向のずれ -2s以上 +/-4s以下 +/-4s以下 光子識別 正規分布に標準化してある 黒:実データ 緑:シミュレーション EMCal エネルギーが0.3(0.2) GeV以上 電磁シャワーである確率が高いものだけを選ぶ DC, PC1 荷電粒子の飛跡が近く(35cm×35cm)にあるものは落とす。 検出効率 9割 p02g 0.6<pT<0.65GeV/c Eg>0.2GeV

Cu+Cu衝突での電子対の不変質量分布 全ての電子の候補でペアを作って、不変質量を求めた。 2.9-3.3GeVがJ/yの領域 21/41 Cu+Cu衝突での電子対の不変質量分布 全ての電子の候補でペアを作って、不変質量を求めた。 2.9-3.3GeVがJ/yの領域 Unlike sign (e+e-)ペアからlike sign(e-e-, e+e+)ペアの数を差し引いた。 cc-bar, bb-barのsemi-leptonic崩壊とDrell-Yanからのe+e-を差し引いた(event generatorで推定した、~10%)。 Internal+external radiationもsimulationで推定し(~12%)、補正した。 最終的に見つかったJ/yは約1400個。 質量分解能~50MeV

p+p衝突での不変質量分布 NJ/y=4145 赤:e+e- 青:e-e-,e+e+ Mass(ee)=Mass(J/y)=3.097GeV 22/41 p+p衝突での不変質量分布 NJ/y=4145 赤:e+e- 青:e-e-,e+e+ Mass(ee)=Mass(J/y)=3.097GeV Mass(e+e-g)-Mass(e+e-) =Mass(cc)-Mass(J/y)~0.44GeV 2.9-3.3GeVのe+e-ペアと光子の候補の組み合わせ全部で不変質量を組み、分解能を良くするため、質量差にした。 ccの質量分解能~50MeV ccのピークの兆候 (~80個)

J/yの不変収量にするための補正因子 検出効率・アクセプタンス eacc ERTトリガー効率 eERT 23/41 J/yの不変収量にするための補正因子 : 崩壊分岐比 J/ye+e- 5.94% : 捉えたJ/yの数 : 解析したMBイベント数 : 補正因子 検出効率・アクセプタンス eacc pTに依存 ERTトリガー効率 eERT pTとcentralityに依存 高粒子多重度に関する補正 eembed

検出効率・アクセプタンス 実際の検出器の不感領域を取り込んだGEANTシミュレーションで評価した。 24/41 検出効率・アクセプタンス 実際の検出器の不感領域を取り込んだGEANTシミュレーションで評価した。 RICHと EMCalの応答の実データとシミュレーションの間での違いはg-conversionとJ/yのピーク自身で評価し、数%だった。 PC1ヒットのz分布 DCヒットのf分布 RICHのヒットPMTの数 リング R=3.4-8.4cm 円板 R<11cm

ERTトリガー効率 実データから(陽)電子のERTトリガーの効率をrandom benefit込みで求めた。 25/41 ERTトリガー効率 実データから(陽)電子のERTトリガーの効率をrandom benefit込みで求めた。 J/yのトリガー効率は(陽)電子のものから推定した。 J/y 電子+陽電子 1.1GeV threshold 0-10% 青 : 0.8GeV threshold 0-10% 赤 : 1.1GeV threshold 0-10% ↑random benefitによる

26/41 高粒子多重度に関する補正 Centralityの異なる実データの事象に、シミュレーションで作ったJ/ye+e-を埋め込んで(embedding)、再構成されるJ/yの数を比べることで、高粒子多重度による性能の悪化を評価した。 最大で3%。 pT依存性は大きくなかった。

J/yが捉えられたときの ccの条件付き検出効率 27/41 J/yが捉えられたときの ccの条件付き検出効率 cc の条件付き検出効率 J/y のアクセプタンス J/yに関する平均 cc のアクセプタンス ccJ/yge+e-g ~10% 候補ごとに検出効率を補正した後の質量分布 pT,cc (GeV/c)

結果1: Rcc フィットから求めたRccの確率分布 Rcc<0.4 (90%の信頼度の上限値) Rccに強いエネルギー依存性は無い。 28/41 結果1: Rcc [A.U.] -1s +1s 10% 0.4 1 フィットから求めたRccの確率分布 Rcc<0.4 (90%の信頼度の上限値) Rccに強いエネルギー依存性は無い。

29/41 Rccの理論計算との比較 Color evaporation model (CEM) チャーモニウムの前駆状態としてカラー1重項だけを考慮したモデル(CSM)よりも、8重項も考慮したモデル(CEM, NRQCD)の方が合っている。 Color singlet model (CSM) NRQCD

30/41 Rccの測定からわかったこと RHICのエネルギー(√s=200GeV)ではJ/yのうちccからの寄与はRcc<0.4 (90% C.L.)と大きくない。 エネルギー依存性も大きくない。 チャーモニウムの生成にはカラー8重項も重要。 Rcc=0.3と予想するCEMとは矛盾していない。

31/41 結果2-1: J/yの不変収量 RAA 2 1 pT=0GeV/c 5 大きなpT依存性はない。

結果2-2:RAAの衝突中心度依存性 Cu+CuでもJ/yのRAAが0.5まで抑制されている。 32/41 Midrapidity, e+e- Forward rapidity, m+m- Cu+CuでもJ/yのRAAが0.5まで抑制されている。

重陽子・金原子核(d+Au)衝突から 求められた冷たい原子核物質(CNM)の効果 33/41 重陽子・金原子核(d+Au)衝突から 求められた冷たい原子核物質(CNM)の効果 d Au 2003年に行なわれたd+Au衝突のデータと2つのnuclear shadowingのモデル(EKS, NDSG)を用いて、nuclear breakup cross sectionが求められた。 sbreakup=1-5 mb 後方ラピディティ -2.2<y<-1.2 xAu~0.003 RdAu 中央ラピディティ -0.35<y<0.35 xAu~0.02 前方ラピディティ 1.2<y<2.2 xAu~0.09 Ncoll

冷たい原子核物質(CNM)の効果 EKS shadowingモデルと実データは誤差の範囲で一致している。 34/41 冷たい原子核物質(CNM)の効果 EKS shadowingモデルと実データは誤差の範囲で一致している。 NDSG shadowingモデルではCNMの効果は小さい。 2つのモデルの違いは異なるx依存性とA依存性による。

Au+Auのデータとの比較 Midrapidity e+e- Forward rapidity m+m- 35/41 Au+Auのデータとの比較 Midrapidity e+e- Forward rapidity m+m- EKS shadowingモデル NDSG shadowingモデル Cu+CuとAu+AuのRAAの振る舞いは一致している。 中心衝突ではCNMより大きな収量抑制がある。

RAA(データ)/RAA(CNM) とBjorkenのエネルギー密度 36/41 RAA(データ)/RAA(CNM) とBjorkenのエネルギー密度 観測した横エネルギー分布と衝突関与部の断面積S と熱平衡に達するまでの時間t0 (1fm/cと仮定)から求めた。 J/yの生成源 ~10% y’J/yX ~20% ccJ/yg ~70% Direct J/y J/y自体が 分解している。 2.5GeV/fm3~180MeV (g,u,d,sからなるQGPの場合)

モデル計算との比較 SPSの結果を説明するモデルが、 RHICの結果を説明できていない。 RHICの結果は理論的には理解できていない。 37/41 モデル計算との比較 SPSの結果を説明するモデルが、 RHICの結果を説明できていない。 RHICの結果は理論的には理解できていない。 SPSでの結果 RHICでの結果 No QGP No QGP QGP QGP

結果2-3:ラピディティ依存性 38/41 Au+Auの中心衝突では前方でより強い抑制。 SCMモデルは似たような傾向を予想 Cu+Cuではラピディティ依存性は小さい HSDとcomoverは反対の傾向を予想

結果2-4:横運動量依存性 横運動量はcentralityに大きくは依存していない。 モデルと比較して議論するにはもっと統計量が必要。 39/41 結果2-4:横運動量依存性 QGPを仮定したモデル 横運動量はcentralityに大きくは依存していない。 モデルと比較して議論するにはもっと統計量が必要。

J/yの結果からわかったこと Npart<100のところでCu+CuとAu+AuのRAAは一致している。 40/41 J/yの結果からわかったこと Npart<100のところでCu+CuとAu+AuのRAAは一致している。 Cu+Cuでは大きなラピディティ依存性、横運動量依存性はない。 Cu+Cuの結果はd+Auのデータから決めたCNMの予測とおおむね一致。 SPSとRHICでのCNM以外のJ/yの収量抑制はエネルギー密度のみに依っていると考えられる。 e0~2.5GeV/fm3, T~180MeVから抑制が始まっている。 Cu+Cuの最中心衝突に対応する。 Au+Auの最中心衝突ではJ/y自体が分解している。

まとめ QGPのプローブとしてチャーモニウムを使った。 41/41 まとめ QGPのプローブとしてチャーモニウムを使った。 RHIC-PHENIX実験で、今までの金原子核(197Au)よりも小さな銅原子核(63Cu)を使って、高統計、高精度のデータを取得し、小さい系でのJ/yの振る舞いを調べた。 Cu+Cuでは冷たい原子核(CNM)の効果が支配的であることがわかった。 p+pではJ/yのうちccの崩壊からの寄与を測定し、4割以下だとわかった。 SPSとRHICでの結果はCNM以外のJ/yの収量抑制はエネルギー密度のみに依っていて、RHICのAu+AuではJ/y自体が分解していることを示唆している。