sNN = 200 GeV の原子核衝突を用いた ハドロン質量発現機構の探求

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1 sNN = 200 GeV の原子核衝突を用いた ハドロン質量発現機構の探求
志垣 賢太 （広島大学） 2007 年 3 月 26 日 日本物理学会シンポジウム 「カイラル対称性と核物質中のハドロン質量分布の測定」 於 首都大学東京

2 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
発表概要 高エネルギー原子核衝突による QCD 探求 ハドロン質量状態変化探求の意義 パートン非束縛相の探索手段から性質探求のプローブへ RHIC 加速器 PHENIX/STAR 実験の成果と展望 パートン非束縛相探索 低質量ベクトル中間子の質量状態変化探索 まとめ 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

3 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
高エネルギー原子核衝突による QCD 探求 極初期宇宙における原子核物質 宇宙開闢 （ビッグバン） から 10-5 秒以内の物質相 パートンと強い相互作用 （i.e. QCD） の基本的性質 極限状態の QCD 高エネルギー密度 （高温） ／高原子核物質密度極限 ハドロン質量の起源： カイラル対称性の自発的破れ カイラル対称性 （部分的） 回復 → ハドロン質量状態の変化？ 通常原子核中のハドロン実験と相補的 格子 pQCD の適用最適領域 クォーク自由度が顕在化する物質相への転移を予言 QCD 相転移 → パートン非束縛 （QGP） 相 極初期宇宙 高エネルギー原子核衝突 パートン非束縛相 （クォーク・グルーオン・プラズマ） エネルギー密度 （温度） 臨界点 F. Karsch, Lect. Notes Phys. 583 (2002) 209 臨界温度 ～ 170 MeV 色超伝導 ハドロン気体 色 ‐ フレーバー・ロッキング 中性子星？ 原子核 バリオン密度 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

4 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
高エネルギー原子核加速器 Bevalac/SIS/AGS/SPS から RHIC/LHC へ sNN 向上： QCD 相図上の高密度領域から高温領域へ 現在稼動中の高エネルギー原子核加速器 BNL-AGS （11 A GeV 197Au + 固定標的） 1986 年 28Si, 1991 年 197Au 運転開始； 単独プログラム終了 CERN-SPS （200 A GeV 208Pb + 固定標的） 1986 年 32S, 1994 年 208Pb 運転開始； 単独プログラム終了 BNL-RHIC （ A GeV 197Au + 197Au） 2000 年運転開始； 稼働中 CERN-LHC （ A TeV 208Pb + 208Pb） 2007 年運転開始； 2008 年 Pb+Pb 衝突運転開始予定 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

5 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
相対論的重イオン衝突型加速器 RHIC 非対称を含む多様なハドロン衝突が可能 197Au までの原子核 （最大 100 A GeV） （偏極） 陽子 （最大 250 GeV） p+p/d+Au/Cu+Cu/Au+Au 衝突実験実施済 “run 4” （’03 – ’04）： sNN = 200 GeV Au+Au 241 mb-1 6 つの衝突点； 4 つの相補的実験 BRAHMS/PHENIX/PHOBOS/STAR 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

6 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
PHENIX 実験の物理戦略 すべての時間段階から可能な限り多種の信号を 初期衝突起源 （パートン非束縛相を通過） 高横運動量粒子 （ハドロン・ジェット, ハドロン, 光子） 重いクォーク （c, b） を含む粒子 重いクォーク対の束縛状態 （J/Y, Y’, ） パートン非束縛相起源 低質量ベクトル中間子 （f, w, r） 熱輻射 （光子, レプトン対） パートン起源の集団的運動 ハドロン相起源 パートン運動学の境界条件 S.Nagamiya (?) in preparation phase of PHENIX 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

7 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
PHENIX 実験における戦略の実装 多様な測定により多数の物理過程を測定 ハドロン, レプトン, 光子の同時測定 希事象 （e.g. 透過的プローブ） の測定に重点 高頻度データ測定・収集能力 多段階の事象選択トリガ 高精度測定 高精度の粒子識別 高分解能 4 元運動量測定 広範囲の運動学領域を網羅 2000 年夏実験開始； 現在 “run 7” 立上中 既存データの 4 – 5 倍 （1.1 nb-1） の Au+Au 衝突を計画 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

8 “Quark Matter ’06” における PHENIX 総合報告
The matter is strongly coupled PHENIX preliminary The matter is dense The matter may melt and/or regenerate J/y’s The matter modifies jets The matter is hot 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

9 高エネルギー原子核衝突で生成する相の性質
稠密： クォークのエネルギー損失 ジェット （高横運動量粒子） 収量抑制 ジェット形状変化 パートン由来： 色価遮蔽, クォーク自由度顕在化 J/Y 収量抑制 構成クォーク数スケーリング則 強結合： 完全流体 流体力学で記述される集団運動 高エネルギー密度： 高温熱輻射 （!?） 熱輻射 （仮想） 光子 （!?） 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

10 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
ジェット抑制： 期待された発見 （の一例） Au+Au at sNN = 200 GeV PHENIX d+Auh+X at sNN = 200 GeV PHENIX Au+Au 衝突で中心度に従いジェット抑制 d+Au 衝突, 直接生成光子： 初期状態起源の抑制否定 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

11 クォーク完全流体： 予期しない発見 （の一例）
バリオンと中間子の異なった振舞 生成比の横運動量依存性 （バリオン “異常” 生成） パートン破砕関数では説明不能 RHIC エネルギーで初めて発現 集団的運動 （楕円流） の横運動量依存性 ハドロン流体模型では説明不能 質量依存性ではない f （陽子とほぼ等質量） も p, K と同様の振舞 バリオンと中間子の差異 = 構成クォーク数に依存 バリオン （反）陽子／ 中間子比 中間子 Au+Au at sNN = 200 GeV PHENIX PRL 91, (2003); PHENIX PRC 69, (2004) 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

12 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
クォーク流体／再結合模型 高横運動量ハドロン生成機構 真空中のクォーク破砕 （既知） パートン媒質中のクォーク再結合 （新規） バリオン／中間子生成比の横運動量依存性を説明 集団的運動 （“楕円流”） の横運動量依存性を説明 R. J. Fries et al., nucl-th/ V. Greco, C. M. Ko, P. Levai, nucl-th/ 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

13 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
高エネルギー原子核衝突物理学の現状 強く相互作用する高温高密度パートン相の生成確認 パートンのエネルギー損失 （ジェット収量抑制） 重いクォーク対束縛状態収量抑制 構成クォーク数スケーリング則 完全流体で記述される集団運動 新たな物質状態の定量的知見と完全な理解へ 低質量ベクトル中間子の質量状態変化 PHENIX 検出器増強 （2007 年より順次） の重点課題 熱輻射光子 LHC 加速器 ALICE 実験 （2007 年開始） の重点課題 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

14 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
ハドロン質量状態変化探求の意義 歴史的意義： パートン非束縛相探索手段 ↓ 高エネルギー原子核衝突物理学の進展 パートン非束縛相の存在 （他の手段により） 確立 パートン非束縛相に対する定量的知見と完全な理解へ 現代的意義： パートン物質の性質探求 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

15 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
STAR による低質量ベクトル中間子測定 ハドロン崩壊過程による測定 p+p/d+Au/Au+Au  f  K+K- p+p/Au+Au  r  p+p- 最新結果： パートン流体 + 再結合模型に合致 nucl-ex/ , submitted to Phys. Rev. Lett. partonic flow and f meson production in Au+Au collisions at sNN = 200 GeV r0 質量変化？ Phys. Rev. Lett. 92, (2004) r0 production and possible modification in Au+Au and p+p collisions at sNN = 200 GeV 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

16 PHENIX による低質量ベクトル中間子測定
複数の衝突系／崩壊過程を用いた系統的測定 p+p/d+Au/Au+Au  f  e+e- p+p/d+Au/Au+Au  f  K+K- p+p/d+Au/Au+Au  w  e+e- cf. 来島孝太郎 25aSC5 p+p/d+Au/Au+Au  w  p0g cf. 大内田美沙紀 25aSC4 p+p/d+Au  w  p0p+p- 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

17 PHENIX による低質量ベクトル中間子測定
f/w  e+e-   e+e-   K+K-   e+e-   0   0+- BR = (2.97  0.04)×10-4 BR = (4.92  0.07)×10-1 BR = (7.18  0.12)×10-5 BR = (8.90  0.25)×10-2 BR = (8.91  0.07)×10-1 e+ , w e- 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

18 PHENIX による低質量ベクトル中間子測定
f  K+K-   e+e-   K+K-   e+e-   0   0+- BR = (2.97  0.04)×10-4 BR = (4.92  0.07)×10-1 BR = (7.18  0.12)×10-5 BR = (8.90  0.25)×10-2 BR = (8.91  0.07)×10-1 K+ f K- 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

19 PHENIX による低質量ベクトル中間子測定
w  p0g   e+e-   K+K-   e+e-   0   0+- BR = (2.97  0.04)×10-4 BR = (4.92  0.07)×10-1 BR = (7.18  0.12)×10-5 BR = (8.90  0.25)×10-2 BR = (8.91  0.07)×10-1 0   w  2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

20 PHENIX による低質量ベクトル中間子測定
w  p0p+p-   e+e-   K+K-   e+e-   0   0+- BR = (2.97  0.04)×10-4 BR = (4.92  0.07)×10-1 BR = (7.18  0.12)×10-5 BR = (8.90  0.25)×10-2 BR = (8.91  0.07)×10-1 0   w + - 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

21 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
f 検出／同定／信号抽出 d+Au  f  K+K- Au+Au  f  K+K- ハドロン崩壊 f f Au+Au  f  e+e- d+Au  f  e+e- 電子対崩壊 f f 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

22 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
w 検出／同定／信号抽出 p+p    0+- p+p    0 Au+Au    0 w w w ハドロン崩壊 h d+Au  w  e+e- Au+Au  w  e+e- w w 電子対崩壊 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

23 最新成果 （1）： Au+Au  w/f  e+e-
技術的挑戦： 信号／背景比 電子同定法と背景雑音見積の最適化 cf. 来島孝太郎 25aSC5 （より興味深い） 低横運動量領域のスペクトル測定 ● Au+Au  w  e+e- ● Au+Au  w  p0g ● p+p  w  p0p+p- ● p+p  w  p0g PHENIX Preliminary 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

24 最新成果 （2）： Au+Au  w  p0g 技術的挑戦： 信号／背景比 横運動量 4 – 5 GeV/c 以上での測定実現性を検証
崩壊光子に対する運動学的選択の最適化 無相関・部分相関光子による背景雑音の系統的見積 横運動量 4 – 5 GeV/c 以上での測定実現性を検証 cf. 大内田美沙紀 25aSC4  複数の崩壊過程を用いた広範囲の系統的測定 背景差引前 背景雑音見積 背景差引後 生成断面積からの予想 w に対する最適化後の p0g 不変質量分布 （横運動量 8.5 – 9.5 GeV/c） 既存統計で期待される w 検出有意性 （最適化前／最適化後） 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

25 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
低質量ベクトル中間子の質量状態変化探索 質量状態変化未検出 最も興味深い衝突系／崩壊過程からの結果が間近に e.g. Au+Au  f/w  e+e-/p0g QCD 相図上の他領域との整合性の議論 必須条件： 系統的測定／解析 （進展中） d+Au  f  K+K- PHENIX preliminary Au+Au  f  K+K- PHENIX, Phys. Rev. C72, (2005) p+p/Au+Au  r  p+p- STAR, Phys. Rev. Lett. 92, (2004) d+Au    0+- PHENIX, nucl-ex/ submitted to Phys. Rev. C 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

26 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
現状 + 近未来の展望 “run 4” （2003–2004） データ解析は最終段階 ハドロン／電子対／放射 （光子） 崩壊過程の系統的解析 解析技術手法と系統的理解の双方に着実な進展 多くの崩壊過程について “必要最低限” の統計量 “run 7” 高統計 Au+Au 衝突実験準備中 2007 年 3 月 21 日衝突開始 “run 4” の 4 – 5 倍の積分輝度を計画 PHENIX “ハドロン不感” 検出器導入済 cf. 小沢恭一郎 26pSD7 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム

27 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム
まとめ 高エネルギー密度 （高温） 極限における QCD 探求 通常原子核中のハドロン実験と相補的 格子 QCD 計算と密接な共同歩調可能な領域 パートン非束縛相の生成確認  パートン相に対する定量的知見と完全な理解の追求 低質量ベクトル中間子の系統的測定： 重点課題 質量状態変化未検出 より興味深い衝突系／崩壊過程からの結果に期待 2007 年 4 月より高統計 sNN = 200 GeV Au+Au 衝突 PHENIX 検出器増強完了 2007 年 3 月 26 日 ハドロン質量発現機構の探求 / 志垣賢太 / 日本物理学会シンポジウム