筑波大学・数理物質科学研究科・ 物理学専攻 三明康郎

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1 筑波大学・数理物質科学研究科・ 物理学専攻 三明康郎 http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp/
粒子加速器を用いた極初期宇宙の探求 高エネルギー原子核衝突を用いたクォーク・グルオンプラズマの研究 筑波大学・数理物質科学研究科・ 物理学専攻　三明康郎

2 電離状態から中性に変化し、光が散乱されなくなった
ビッグバン宇宙論 ＱＧＰ→ハドロンガス ビッグバン宇宙論 約１４０億年前に大爆発とともに私たちの宇宙が発生 想像もつかない高温・高密度状態から膨張し、膨張と共に温度が低下してきた 宇宙の進化を遡る研究 (10億年)遠方銀河の赤方偏移 Hubble則 (30万年)宇宙の晴れ上がり 宇宙背景放射 (3min)元素合成 元素の存在比 →ビッグバン宇宙論を 支持する証拠 Heなどの元素合成 プラズマ→中性原子 「宇宙の晴れ上がり」 電離状態から中性に変化し、光が散乱されなくなった 「宇宙の晴れ上がり」の説明 原始銀河の形成

3 宇宙背景放射観測によるビッグバンの研究 WMAP観測衛星による 宇宙背景放射の精密測定
宇宙進化の様子が明快に 「宇宙の晴れ上がり」時の スナップショット 「宇宙の晴れ上がり」より前の高温・高密度状態を再現し、極初期宇宙まで遡ろう 高エネルギー原子核・原子核衝突実験 （リトルバン）

4 物質の階層構造 原子 原子核 陽子・中性子 中間子 量子色力学（ＱＣＤ）の世界 原子核と電子 〜１０−10 ｍ 陽子と中性子の集まり
〜 １０−14 ｍ (~10 fm) 陽子・中性子 クォーク３個からなる複合粒子 〜 １０−15 ｍ ( ~1 fm ) 中間子 クォーク・反クォークからなる複合粒子 量子色力学（ＱＣＤ）の世界 陽子 中性子 クォーク

5 クォーク・グルオンプラズマ ハドロンの多重発生 クォーク・グルオン プラズマ（ＱＧＰ）
ハドロン（陽子、中性子や中間子）は、1fm程度の大きさを持ちクォークと媒介粒子グルオンから構成されている。 大きさを持つハドロンを狭い空間に多重発生させると（高温・高密度状態）、ハドロンが連結した状態が出来る？ クォーク・グルオン プラズマ（ＱＧＰ）

6 クォーク・グルオンプラズマ相転移 ＱＧＰ 物質の存在の仕方として全く未知
クォークとグルオンが比較的大きな体積を自由に飛び回り、その振る舞いを統計力学的に取り扱うことが出来る 相転移 ハドロン 状態 ＱＧＰ 状態

7 巨視的連結による一次相転移 巨視的連結(Percolation) 巨視的連結が起こる確率 ハドロンの多重発生による巨視的連結がＱＧＰ
ランダムに粒子が分布しているときの大域的な結合 巨視的連結が起こる確率 粒子密度に対し一次相転移 ハドロンの多重発生による巨視的連結がＱＧＰ 巨視的連結の起こる頻度 Toy Model ＱＧＰ相転移は一次相転移？ 粒子密度

8 F. Karsch, Lect. Notes Phys. 583 (2002) 209.
Lattice QCDによるQGP相転移 筑波大学・計算物理学センター CP-PACS ハドロン質量の計算 F. Karsch, Lect. Notes Phys. 583 (2002) 209. １次相転移かも！？ εc〜 GeV/fm3

9 宇宙論とＱＧＰ ビッグバン直後の宇宙 クォーク星？ ＱＧＰの性質の解明は根元的課題
ＱＧＰ相転移？ 宇宙論とＱＧＰ ビッグバン直後の宇宙 ビッグバンから10マイクロ秒後にＱＧＰ相からハドロン相への相転移 １次の相転移であれば以降の宇宙の進化に影響か クォーク星？ Chandra X線観測衛星とハッブル観測衛星による観測から発見か？ 中性子星とブラックホールの間を埋める存在 ＱＧＰの性質の解明は根元的課題 ＲＸＪ１８５６ 中性子星としては小さすぎる星半径 ３Ｃ５８ 中性子星としては低すぎる温度

10 高エネルギー原子核・原子核衝突 ＱＧＰ 高エネルギー粒子の衝突 原子核と原子核を衝突させると原子核程度の大きさに多数のハドロン粒子を発生
より高エネルギー衝突ほど多数のハドロン粒子（主にπ中間子）が発生する ビームの運動エネルギーの一部がハドロンの質量エネルギーに転化 原子核と原子核を衝突させると原子核程度の大きさに多数のハドロン粒子を発生 多重発生密度が十分高いと ＱＧＰ生成が可能 相対論的高エネルギー原子核同士の衝突によりＱＧＰを生成し、その物理的性質を解明しよう ローレンツ収縮した原子核 ＱＧＰ

11 「ビッグバン」と「リトルバン」 Big Bang Little Bang ビッグバン リトルバン 1987年以来〜５年ごとに新しい加速器建設
宇宙 ３次元的膨張 再現不可能 リトルバン 高エネルギー原子核・原子核衝突 １次元的膨張 実験可能 1987年以来〜５年ごとに新しい加速器建設 急速に発展している 研究分野 KEK homepageより Machine Beam+Target Ecm [GeV] 1987 - AGS Si+Au 5A SPS S + Pb 20A 1992 - Au + Au 4A 1994 - Pb + Pb 17A 2000 - BNL•RHIC 200A 2007 - CERN•SPS 6300A

12 Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)
１周約３．８ｋｍ 右回り用と左回り用それぞれのビームライン 計８６４個の電磁石 実験室中央で右回りと左回りのビームが衝突

13 複合加速器ＲＨＩＣ（加速と衝突の様子） Animation made by J. Mitchell
互いに反対方向に廻る原子核ビームが実験室の真ん中で衝突を起こす 衝突型加速器

14 衝突型加速器におけるＰＨＥＮＩＸ実験 （衝突検出器）＋（電磁石）＋（飛跡検出器）＋（粒子識別装置）

15 ＰＨＥＮＩＸ実験（写真）

16 多国籍国際協力研究ＰＨＥＮＩＸ １１ヶ国 ４４０名余の研究者

17 高エネルギー原子核・原子核衝突の様子 理論模型によるシミュレーション シミュレーションと実際に観測された衝突の様子
数千個の粒子発生 ＱＧＰの発生？ 衝突の極めて短時間の間に何が起こっているのかを実験結果から明らかにしたい 観測結果

18 リトルバンにおける晴れ上がり t z 「宇宙の晴れ上がり」と同様に、十分多くの粒子が発生すれば、ハドロンの”晴れ上がり”が起こる！
Minkowski空間図 固有時間τ “晴れ上がり” 「宇宙の晴れ上がり」と同様に、十分多くの粒子が発生すれば、ハドロンの”晴れ上がり”が起こる！

19 QGP生成の傍証１；エネルギー密度 Bjorkenの描像 到達エネルギー密度
ローレンツ収縮のために原子核衝突は短時間の間に起こり、その短時間にハドロンの多重発生が起こるが、固有時τ以後、それらは自由粒子として飛び出す。 到達エネルギー密度の推定 到達エネルギー密度 ＱＧＰ生成に十分な値 dz πＲ２

20 ＱＧＰから生成される様々なハドロン 衝突で生成されたＱＧＰは断熱膨張により急激に温度が下がり、多数のハドロンが発生する。 ハドロン
様々な種類のハドロンの生成比 ＱＧＰであれば、クォークの統計力学で生成比が記述できるはず！ クォークレベルの統計力学的記述の成否が重要 ハドロン ＱＧＰ

21 QGP生成の傍証２；クォークの化学平衡 クォークの化学平衡を仮定した統計模型と測定データが良い一致
化学平衡時の温度（~180MeV）は 予想される相転移点付近

22 Surprise! (Baryon Anomaly)
Peripheral Central PHENIX: PRL 91, (2003), PRC 69, (2004) (anti-) Proton / Ratio 他の高エネルギー粒子衝突反応に比べて、多くの陽子や反陽子が生成されることを発見！ 全く異なるハドロン生成メカニズム 中條達也氏（現筑波大・講師）；原子核談話会新人賞受賞

23 クォーク融合反応(Quark Coalescence)
ＱＧＰ特有のハドロン生成 メカニズム？ ハドロン 中間子の運動量分布(2q)； 陽子の運動量分布(3q)； 運動量とともに急激に減少する分布関数 ある運動量のところで比較すると、中間子は半分の運動量のクォークが２つ必要 陽子は３分の１の運動量のクォークが３つ必要。 ２分の１のところと３分の１のところの分布関数 w(pt)； ユニバーサルな クォークの 運動量分布 ｛急激な減少を 示す分布形｝ ＱＧＰ

24 注目される方位角異方性測定 反応関与部と非関与部 方位角異方性とは 放出粒子の運動量の方位角異方性を測定
核子の運動量に比べビーム運動量が圧倒的に大きい 相対論的効果により極めて短い衝突時間 方位角異方性とは 非中心衝突における反応関与部は衝突軸に対し異方性 アーモンド型！ 放出粒子の運動量の方位角異方性を測定 座標空間の方位角異方性が生成粒子の運動量空間異方性に転換 反応面 アーモンド型の 反応関与部 反応面に対する方位角

25 楕円率に比例した方位角異方性 中心衝突から周辺衝突まで様々な楕円率に対して方位角異方性を測定 楕円率に比例した方位角異方性
確かに座標空間から運動量空間の異方性に転換された Phenix; PRL 89(2002)212301

26 QGP生成の証拠３；方位角異方性 粘性がない完全流体理論模型と良い一致 衝突後0.6 fm/cで熱化出来るメカニズムは？
20 GeV/fm3 衝突後0.6 fm/cで熱化出来るメカニズムは？ ＱＧＰ！

27 QGP生成の証拠４；クォーク数則 クォーク融合反応の証拠 中間子の運動量分布(2q)； 陽子の運動量分布(3q)； w；クォークの方位角分布

28 QGP生成の証拠５；ジェット正反相関の消失
pedestal and flow subtracted 金・金衝突では正反対方向に期待されるジェットが消失した。 高密度物質生成の証拠

29 今後の研究の展開 現在 これから ＱＧＰ生成を示す多くの発見 クォークレベルの統計力学が明らかに ＱＧＰの性質の解明 相転移の性質の解明
→ＱＧＰ生成が確認された これから ＱＧＰの性質の解明 相転移の性質の解明 相転移点の探索 ＲＨＩＣからＬＨＣへ 200GeVから5600GeVへ 2007年開始予定 ＱＧＰ 状態

30 大活躍する大学院生 国際共同研究は大学院生の活躍を抜きにして語れない

31 大学院生向けのQGPの教科書が出ます！

32 参考資料

33 ＱＣＤとBag Model ＱＣＤの２大特徴 他の力と全く異なった性質の起源を真空に求める
Asymptotic Freedom （漸近的自由）；１ｆｍ以下で自由粒子 Confinement （閉じ込め） 他の力と全く異なった性質の起源を真空に求める 真空は一定のエネルギー密度Ｂを持ち、ハドロン粒子は真空中に出来た特殊な空間（Ｂａｇ）に閉じ込められた状態と記述。 ハドロンのエネルギー＝（Ｂａｇ内での運動エネルギー） ＋（真空のエネルギー） 第一項；基底状態では不確定性原理（△ｐ・△ｘ〜ｈ）により零点エネルギーε＝ｐ〜１／Ｒ 第二項；体積に比例 安定点；ｄＥ／ｄＲ＝０

34 Bag ModelによるQGP相転移 Toy Model μ、ｍ＝０の理想フェルミ、ボーズ気体の場合 相転移点では温度、圧力が等しくなる
ーＢ Ｐ Ｔ ＰＱＧＰ Ｐπ Ｔｃ Ｂ ε εＱＧＰ επ μ、ｍ＝０の理想フェルミ、ボーズ気体の場合 Toy Model 相転移点では温度、圧力が等しくなる 低温ではハドロンガス状態、高温ではＱＧＰ状態 潜熱の発生 ☞１次相転移

35 高横運動量抑制効果の発見 荷電粒子、中性パイ中間子共に高横運動量で抑制 周辺衝突(60-80%)； 中心衝突(<10%)；
Nbinaryで規格化したpp衝突の結果と良い一致 中心衝突(<10%)； Nbinaryで規格化したpp衝突より全般的に小さい 特に>3GeV/c 陽子・陽子衝突に比べて高横運動量領域で粒子生成が少ない！ 今まで全く見られなかった現象！ Phys.Rev.Lett.88,022301(2002)

36 高運動量領域の粒子生成 高横運動量領域では指数関数からずれた成分が現れる 高エネルギーの衝突ではより顕著に ２成分；
陽子・陽子衝突ではπー より多くのπ＋ Valence Quark散乱のLeading Particle 高エネルギーの衝突ではより顕著に Phase Space の制限が効かなくなる ２成分； 第１項；Exponential;Soft Component 第２項； Power Law ; Hard Component Perturbative QCD

37 ジェット・クエンチとは 高速荷電粒子が物質中を通過する際に、原子電子とのクーロン相互作用によってエネルギー損失
+Ze 高速荷電粒子が物質中を通過する際に、原子電子とのクーロン相互作用によってエネルギー損失 Bethe-Bloch Formula 物質の電子数密度に比例したエネルギー損失 パートンがＱＧＰなど高密度物質中を通過する際に、グルオン放射によりエネルギー損失 グルオンの数密度に比例した損失

38 高横運動量抑制 金・金衝突では高横運動量領域で抑制 重陽子・金原子核衝突では抑制効果が見られなかった
金＋金衝突 ｄ＋金衝突 エネルギー損失が無い場合の予想 金・金衝突では高横運動量領域で抑制 重陽子・金原子核衝突では抑制効果が見られなかった 金・金衝突で出来た高密度物質をパートンが通過する際のエネルギー損失によるもの