高エネルギー原子核衝突 で探る ハドロンの基礎構造

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1 高エネルギー原子核衝突 で探る ハドロンの基礎構造
志垣 賢太 （ ） 日本物理学会 実験核物理, 理論核物理, 素粒子実験 合同シンポジウム “多彩な実験プラットフォームによるハドロンの本質的自由度の探求” 2015 年 3 月 22 日, 早稲田大学

2 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
講演概要 非閉込パートン相の物理 高エネルギー原子核衝突における最近の話題から （重） 陽子 + 原子核衝突 非閉込重クォークの挙動 課題, 指針, 次期計画 “ハドロン物理” との協働 （複） 重フレーバ粒子 エキゾチック粒子 ハドロン前駆体 まとめ, おわりに 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

3 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
非閉込パートン相を巡る第二幕 第一幕： 量子色力学相図上の長征 固定標的 Bevalac/AGS/SPS から衝突型 RHIC/LHC へ 高密度領域から高温 （高エネルギー密度） 領域へ RHIC （SPS?） における非閉込パートン相への到達 新たな物理探求の舞台： 非閉込パートン物質の性質 量子色力学相図の構造 極初期宇宙発展過程 クォーク多体系としてのハドロン … 極初期宇宙 高エネルギー原子核衝突 臨界点 非閉込パートン相 （クォーク・グルーオン・プラズマ） エネルギー密度 （温度） 境界温度 ~ 170 MeV ハドロン気体 色超流動？ ？？ 中性子星 原子核 クォーク密度 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

4 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
カイラル相転移の特筆すべき意義 実験的に遡り得る唯一の初期宇宙相転移 宇宙発展を理解するパラダイムの実証 （または反証） ↔ 相転移の残渣検出 本間謙輔 2008/09 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

5 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
“並行世界” を覗き込む 対称性が回復した世界の物理現象 量子色力学相転移の場合： カイラル対称性 （軽い） クォークの有効質量消失 ハドロン質量低下の理論予想 典型例： 低質量ベクトル中間子の質量分布変化 短寿命 （〜 対称性回復相持続時間） レプトン崩壊過程 e.g. f （ss） → e+e- （分岐比 0.03%） CERES/NA45 T.Hatsuda, H.Shiomi and H.Kuwabara Prog. Theor. Phys. 95 (1996) 1009 KEK E325 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

6 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
相図上の到達点： 人類史上最高温度 RHIC での “熱輻射” 勾配 ~ 221  19  19 MeV 初期温度 ~ 300–600 MeV （模型依存 2 倍以内） 流体力学模型による記述 熱化時間 0.15–0.6 fm/c LHC では輻射勾配 ~ 304  51 MeV cf. 相境界温度 ~ 170 MeV 輻射勾配 PHENIX (A. Adare et al.), PRC 81, (2010) 相境界温度 ALICE (M. Wilde et al.), arXiv: v2 [hep-ex] (2012) 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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量子色力学相図上の更なる版図拡大 RHIC  LHC RHIC RHIC  LHC RHIC F. Karsch, Lect. Notes Phys. 583 (2002) 209 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

8 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
最近の話題 （1）： （重） 陽子 + 原子核衝突 元来 A+A と p+p を繋ぐ対照実験の位置付 初期状態での原子核効果, e.g. 核内パートン分布関数 終状態での （冷たい） 原子核物質効果 “高横運動量ハドロン抑制” Au+Au at sNN = 130 GeV PRL 88 (2002/01) “抑制の欠如” d+Au at sNN = 200 GeV PRL 91 (2003/08) Au+Au at sNN = 200 GeV d+Au at sNN = 200 GeV 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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（重） 陽子 + 原子核衝突の物理 元来の着想： 通常原子核効果, i.e. 非 パートン由来 非 稠密 非 強結合 非 高温 強結合高温稠密パートン物質の示唆?? 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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LHC 加速器 p+p, p+A 衝突での発見 高粒子多重度事象に長距離角度相関 p+p 衝突： 方位角同一方向に “尾根” 構造 p+Pb 衝突： 方位角反対方向にも “二重尾根” 初期パートン揺らぎ由来の集団運動により説明 p+p, p+A 衝突で既に強結合物質生成？ = 高粒子多重度 p+Pb 低粒子多重度 p+Pb 長距離相関 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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p+Pb 衝突における流体的挙動 高多重度事象における横運動量分布硬化 粒子質量に従い効果増大 流体力学描像でよく記述 Blast-Wave: PRC 48,2462 (1993) EPOS LHC: arXiv: [hep-ph] Krakow: PRC 85, (2012) DPMJET: arXiv:hep-ph/ 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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p+Pb 衝突でクォーク流体？ 中間横運動量領域におけるバリオン生成増大 原子核相互衝突ではクォーク再結合模型で理解 粒子多重度に従い同様の発展 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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最近の話題 （2）： 非閉込重クォークの挙動 高エネルギー衝突で存在感を増すプローブ 高横運動量現象, e.g. ジェット 重フレーバ （c, b） LHC 加速器での実験 （ALICE/ATLAS/CMS） で威力実証 S. Wicks et al., Nucl. Phys. A784, 426 (2007) 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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媒質の性質 ⇄ 粒子のエネルギー損失 輸送係数, グルーオン密度 ⇄ グルーオン放射, パートン衝突 通過粒子の性質： 質量, 色価 重クォークの “デッドコーン” 効果 Y. Dokshitzer and D. Kharzeev, PLB 519, 199 （2001） エネルギー損失： グルーオン > 軽クォーク > 重クォーク c, b D, B 重クォーク生成 クォークのエネルギー損失 色場破砕, ハドロン生成 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

15 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
微分的測定から： 質量階層性？ 軽中間子 （u, d, s） 〜 D 中間子 （c） D 中間子 （c） ⬄ B 中間子 （b） D0, D+, D*+ （ALICE） B 起源 （二次生成） J/Y （CMS） 特に重い b クォークの弱いエネルギー損失の示唆 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

16 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
課題と指針 ⇒ 次期計画 非閉込クォーク挙動の探求 パートン初期エネルギー基準測定 （光子–ジェット相関） ALICE ジェット対検出器 （DCAL）（2015） sPHENIX 粒子識別系 （2021） クォーク （c, b） 識別向上 ALICE 衝突点近傍飛跡検出器 （ITS） 高度化 （2020） ALICE 前方ミューオン飛跡検出器 （MFT）（2020） （低〜中を含む） 広範な横運動量領域精査 ALICE 検出器 + データ収集系 100 倍高速化 （2020） 量子色力学相図の系統的探査 RHIC 衝突エネルギー走査 （2018–2019） 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

17 RHIC 加速器将来計画 現 RHIC/PHENIX Years Beam Species and Energies
Science Goals New Systems Commissioned 2014 15 GeV Au+Au 200 GeV Au+Au Heavy flavor flow, energy loss, thermalization, etc. Quarkonium studies QCD critical point search Electron lenses 56 MHz SRF STAR HFT STAR MTD p+p at 200 GeV p+Au, d+Au, 3He+Au at 200 GeV High statistics Au+Au Extract η/s(T) + constrain initial quantum fluctuations More heavy flavor studies Sphaleron tests Transverse spin physics PHENIX MPC-EX Coherent e-cooling test 2017 No Run Low energy e-cooling upgrade 5-20 GeV Au+Au (BES-2) Search for QCD critical point and onset of deconfinement STAR ITPC upgrade Partial commissioning of sPHENIX (in 2019) 2020 Complete sPHENIX installation STAR forward upgrades Long 200 GeV Au+Au with upgraded detectors p+p, p/d+Au at 200 GeV Jet, di-jet, γ-jet probes of parton transport and energy loss mechanism Color screening for different quarkonia sPHENIX No Runs Transition to eRHIC 現 RHIC/PHENIX 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

18 sPHENIX： LHC → RHIC の知見還流
高速, 希事象, 精密測定 低〜中横運動量 限定立体角 “super” PHENIX 高速, 希事象, 精密測定 中～高横運動量 大立体角 日米協力事業による検出器 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

19 LHC 加速器運転予定 Run 2 Run 3 6.5–7.0 TeV 陽子 p+p, p+Pb, Pb+Pb 6.5–7.0 TeV 陽子
ALICE 実験高速化・高度化 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

20 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
ALICE 実験高度化計画 先発： ジェット, 重フレーバ ✓ 2–3 倍高速化, 新検出器； 2013–2014 長期停止 高度化： 主飛跡検出器読出系 （東京大学）, 高分解能電磁カロリメータ読出系 （広島大学） 新規： ジェット対カロリメータ （筑波大学） 次発： 低中横運動量現象 100 倍高速化, 新検出器； 2018–2019 長期停止 高度化： 主飛跡検出器 （東京大学）, 衝突点近傍飛跡検出器 新規： 前方ミューオン飛跡検出器 （広島大学） 次々発： 前方物理 新検出器； 2018–2019 長期停止以降 新規： 前方カロリメータ （筑波大学） 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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“ハドロン物理” との協働 （1） ハドロン生成機構の相補性 ↔︎ e++e-／p+p 実験 ref. Belle II におけるハドロン物理 （宮林） クォーク再結合 （コアレッセンス） 模型 RHIC/LHC では s クォーク化学ポテンシャル ~ 0 色場破砕によるクォーク対生成 B. Z. Kopeliovich et al., Int. J. Mod. Phys. E18, 1629 (2009) 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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特に興味深い （複） 重フレーバ粒子 s バリオン, s/c/b 中間子は多種測定済 c バリオン： ALICE 1 期 （済）, 2 期 （2015–2018） Lc → pK-p+ Xc → Xpp b バリオン： ALICE 3 期 （2020–2022） Lb → Lce-,Lch- 複 c （b） バリオン？ Xcc, Xcb, Wcc, … → 相関クォーク対, 重クォーク間相互作用 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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エキゾチック粒子の構造理解 e.g. 4 クォーク近接結合 vs 中間子分子 異なるコアレッセンス生成率の理論予言 S. Cho, et al., arXiv: X(3872) → J/Y p+p- → e+e-p+p- ALICE 3 期 （2020–2022） 収量 〜 o(103) 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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“ハドロン物理” との協働 （2） カイラル対称性回復機構領域の相補性 ↔︎ 中エネルギー原子核実験 ref. SPring-8, J-PARC におけるハドロン物理 （村松, 野海） 高密度領域 中性子星／クォーク星 中エネルギー原子核衝突 通常原子核 高エネルギー原子核衝突 極初期宇宙 高温領域 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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ハドロン前駆体とカイラル対称性 クォーク物質中でのハドロン “前駆体” 軽いベクトル中間子前駆体の質量状態 （重） 陽子 + 原子核衝突 無相関レプトン対 （= 最大の技術的困難） の低減 質量変化の兆候?? （広島大学修士論文； 系統誤差要検討） e+e- ⬄ m+m- 積年の （未解決） 技術課題 （電子識別 +） ダリツ崩壊電子除去 ⬄ 低運動量 m 粒子識別 高エネルギー衝突では一次元膨張描像領域が拡大 ALICE 実験 “前方” m+m- 検出器高度化 （MFT） 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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進行中の次期計画と高い整合性 （複） 重フレーバ粒子 ALICE 実験高速化, 全事象収集 エキゾチック粒子 陽子 + 原子核衝突？ ハドロン前駆体 ALICE 実験前方 m+m- 飛跡検出器 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

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まとめ, 終わりに “並行世界” を覗き込む無二の実験環境 非閉込パートン相は新規多様な物理探究の舞台 e.g. クォーク多体系としてのハドロン 絶え間ない新たな物理知見 （重） 陽子 + 原子核衝突での強結合クォーク流体の示唆 クォークのエネルギー損失に質量階層性の示唆 現状課題を踏まえた次期計画進行中 ALICE 実験高度化, “super” PHENIX, （J-PARC 原子核加速） ハドロン基礎構造探求にも高い潜在能力 e++e-／p+p／中エネルギー原子核実験と相補性 本分野実験の次期計画とも高い整合性 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太

28 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太
ALICE/PHENIX 実験関連講演 粒子生成 23pCD 10 関畑, 11 垂永 重フレーバ 22pCA （日韓） 2 Kwoen, 4 蜂谷 23pCD 3 浅野 強磁場生成 23pCD 12 星野 検出器, 高度化計画 21aCF 7 横山, 8 細川, 9 稲葉, 10 佐藤, 12 永嶋 21pCF 1 長島 計算機 21aDB （シンポジウム） 5 中條 2015/3/22 日本物理学会シンポジウム –ハドロンの本質的自由度の探求 –高エネルギー原子核衝突 – 志垣賢太