クォークグルーオンプラズマ 物性研究が開く扉

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1 クォークグルーオンプラズマ 物性研究が開く扉
クォークグルーオンプラズマ 　　　　　　　物性研究が開く扉 鳥井　久行　(東大CNS特任助教) 東大駒場格理論研究室セミナー 2011/07/06

2 目次 イントロ 物性研究の実例と新発見 2020年の2月に何かが起こる？ 将来展望 ジェットクエンチング 粘性 カラースクリーニング
初期条件測定 Low-xの物理 QCD相図の完全理解へ向けて 「ルミノシティーフロンティア」実験

3 RHICからの結果:存在証拠 dense: energy loss of (even heavy) quarks
jet quenching (high pT suppression) jet modification partonic: quarks’ degrees of freedom, screening constituent quark number scaling of collective motion J/Y suppression strongly coupled: perfect fluidity hydro-dynamical collective motion hot: thermally radiative thermal (virtual) photons The matter is dense The matter is strongly coupled The matter may melt and/or regenerate J/y’s The matter modifies jets The matter is hot

4 QGP物性研究最前線～LHC～ LHC加速器を用いた世界最高エネルギー重イオン衝突 現在までにRHICと比較して
2010/11/8： s=2.76TeV実験開始 現在までにRHICと比較して 最大1.5-2倍のハドロン減衰 3倍のEnergy Density 2倍の体積 +20%のlifetime ‘Volume’ at decoupling Alice error: stat + syst

5 研究の学術的背景 QGP存在は1980年代から示唆。 過去30年に渡り加速器実験によ り存在が確証
2010年5月刊行 「サイエンスマップ2008」抜粋 QGP存在は1980年代から示唆。 QCD物質の極限状態！ Big Bang直後（10-10秒後）の宇宙 初期の状態 過去30年に渡り加速器実験によ り存在が確証 特にRHICにおける、ハドロン生 成の強い抑制や熱平衡状態の観 測、さらに流体力学的振る舞いが 強い証拠と成っている。探索にピ リオドが打たれた。 QGP探索からQGP物性研究へ 新たなフェーズに移りつつあ る。 2008年 「強く相互作用する量子多体系」

6 物性研究の最先端と新発見 RHIC/LHCからの最新の結果を物性研究という視点から読み解き ながら紹介すると共に、新しい発見に焦点を合わせる。

7 エネルギー密度測定 ジェットクエンチング Radiative or collisional energy loss 様々なモデル
平均自由行程<->Lとの関係の違い: thin or thick? Radiative or collisional energy loss Radiative energy loss Multiple soft scattering BDMPS (LPM) or AMY Few hard scattering DGLV, Higher-twist framework Collisional energy loss Full calculation including the running of alpha_S 片方だけで実験を説明することも可能。両方取り入れて比 較していくのが正しいのでは？

8 QM2006(Shanhai) by A. Majumder

9 クエンチングモデルとの比較 PHENIX, PRC77(2008)064907
Large difference in medium density: GLV, AMY: T = MeV BDMPS: T ~ 1000 MeV Different calculations use different geometries – not clear what dominates

10 理論比較：TECHQM “Brick Problem”
Models fitted to RAA using modified c2 analysis 1s uncertainty band indicated q0 for multiple-soft approx 4x opacity expansion (T0 factor 1.5) See more detail: (since 2008)

11 最新のRHIC/LHC結果からの新発見 新発見１: 特異なジェットクエンチング 新発見２: 失われたエネルギーのソフト化
E1 E2 e2 e1 新発見１: 特異なジェットクエンチング パートンの方向は変化しないソフトなグルーオン放射 ジェット化（破砕化）は真空中 新発見２: 失われたエネルギーのソフト化 ジェット外の領域（R>0.8）にソフト粒子生成再加熱？マッハコーン 新発見３: pQCDクエンチモデルの崩壊

12 新発見１：特異なクエンチ No Stronger angular deflection!!! ソフトグルーオン
ジェットの形はp+pと変化なし

13 新発見２：失われたエネルギー STAR ジェットハドロン相関 CMS ジェットバランス平均=0.2 幅 残り40GeVが失われたことになる。
Leading Jet : 10GeV-20GeV Hadron : <10GeV 幅 >4GeVでR<0.3 : p+p = A+A <4GeVでR=0.8(A+A) CMS ジェットバランス平均=0.2 Leading Jet : 120GeV Second Jet : 平均 80GeV 残り40GeVが失われたことになる。 半分はR>0.8のコーン外側へ

14 v2 data favors dE/dx ~ l3 (like AdS/CFT)
新発見３：pQCDの危機 v2 data favors dE/dx ~ l3 (like AdS/CFT) v2 explained by cubic path length dependence (like AdS/CFT) v2 not explained by pQCD (even with fluctuations & saturation) AdS/CFT pQCD PRL 105, pQCD AdS/CFT Theory calculations: Wicks et al., NPA784, 426 Marquet, Renk, PLB685, 270 Drees, Feng, Jia, PRC71, Jia, Wei, arXiv: RAA explained by both models

15 結論にはまだ早い

16 粘性測定 PRL105,252302(2010) ALICE LHCにおいても完全流体：低い粘性を示す

17 新発見１：マッハ構造＝3次のfluctuation
Ridge and Mach cone are explained as sum of v2+v3+v4+… ホットスポットからのfluctuationの３次項（奇数項）で説明つく？

18 ホットスポットでリッジ構造再現？ Slide from Guo-Liang Ma (with X.N.Wang) AMPT Model

19 新発見２：初期条件依存性 Glauber & 4/s=1を支持：初期条件の理解が重要

20 Color Screening ～Y(2S,3S)溶解～
The data show that the 2s/3s are reduced as compared to the 1s.

21 新発見？：J/Y suppression and flow
Phenix mm RAA LHCではRHICより少ない減衰？？？ 注意：LHC(2.5<y<4), RHIC(1.2<|y|<2.2) LHC(2.5<y<4)ではRAAにして0.5程度のCNM(cold nuclear matter)効果。 coalescenceモデルの収量の増加で説明付けられるか？ J/ψのv2はゼロ？？？ Coalescenceモデルでは説明付く？ 正しい理解のためには、CNM effectの理解が重要！

22 ２０２０年２月？ 1848年2月、フランス２月革命。共和政の樹立、ルイ＝ナポレオンが大統領へ

23 SPS after ~15 years on 10.02.2000 February in 2000
15/6/2010 "What is learned from the startup stage at PHENIX" by Hisa SPS after ~15 years on Super Proton Synchrotron (SPS) started operation in 1976 as a proton accelerator at the maximum energy of 300GeV and were gradually upgraded to a p-pbar collider, heavy nucleus accelerator, and ones with the maximum energy upto 450GeV. Various programs for heavy ion physics since mid-1980s February in 2000

24 RHIC after 10 years on 15.02.2010 Again February in 2010 15/6/2010
"What is learned from the startup stage at PHENIX" by Hisa RHIC after 10 years on Again February in 2010

25 LHC after 10 years on xx.02.2020? Again February in 2020?
15/6/2010 "What is learned from the startup stage at PHENIX" by Hisa LHC after 10 years on xx ? Press Release from SPS on 10th February 2000 Press Release from RHIC on 15th February 2010 Again February in 2020?

26 将来展望 扉の向こうには何が？

27 将来動向～初期条件～ 初期条件の測定は重要：CGC p+A衝突＠LHC eRHICやLHeC 2014以降に計画
ALICE Upgrade: 東大CNS/広大 eRHICやLHeC RHICやLHCに電子加速器を追加 eRHIC: 10GeV + 250GeV/nucleon xmin=10-4, Q2max=104 早くて2020年 LHeC：50-150GeV GeV/nucleon xmin=10-6, Q2max=106 他にもJLAB, GSIでの計画 なにせ予算が、、、500億か1000億

28 ALICE Upgrade : Forward Calorimeter
“Standard” W+Si (pad/strip) calorimeter First segment Second segment Third segment Si Strip (X-Y) Tungsten Si pad CPV W thickness: 3.5 mm (1X0) wafer size:9.3cmx9.3cmx0.525mm Si pad size: 1.1x1.1cm2 W+Si pad : 21 layers 3 longitudinal segments Summing up raw signal longitudinally in one segment Single sided Si-Strip (2X0-6X0) 2g separation, 6 inch wafer 0.7mm pitch (128ch/wafer)

29 将来動向～QCD相図の完全理解へ～ 10-50GeV/cのビーム(sqrt(s)=2-10GeV）
FAIR Physics Book Phys. Rev. C77(2008) NA49 STAR, arXiv: 10-50GeV/cのビーム(sqrt(s)=2-10GeV） RHIC/SPSでLow Energy Scan進行中

30 STAR@RHIC Low Energy Scan
Signal of the CP??

31 Low Energy Scan

32 Low Energy Scan 詳細は不明。QM2011で突然出てきた。

33 重イオン加速器の世代 第一世代 第二世代 第三世代（将来計画） 稼働：1960年代から
インテンシティーフロンティア 高密度QCD: “Beyond the SM” 第一世代 稼働：1960年代から Fixed target at SIS-AGS-SPS Lattice-QCD＝灯台に照らされて 第二世代 提案：1980年台以降 稼働：1990年以降 高エネルギー＝コライダーへ RHIC-LHC “Standard Model”=QGPの探索の終 結、そして物性研究へ。 第三世代（将来計画） 提案：2000年台 稼働：2020年頃以降 高インテンシティー 高密度を狙う。10-50GeV/cビーム。 Low energy collider : NICA, RHIC Fixed targetへ回帰: SIS, JPARC “Beyond the SM”を目指して エネルギーフロンティア 高温度QCD 将来計画　low-x：”Beyond the Saturation Model” 鳥井作成（参考文献はBackup slideに)

34 Let’s Jump in!!

35 ALICE実験 ここに居ます 共同研究者数はPHENIXの約３倍＝1/3の顔面積
2009年11月23日より陽子陽子衝突 √s= 900 GeV開始 共同研究者数はPHENIXの約３倍＝1/3の顔面積