高エネルギー衝突実験におけるMPIの観測〜v2とMultiplicityの相関について〜
2020年度卒業研究発表会
高濱 瑠菜
2021.03.01
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目次• 研究背景• 研究目的• 解析方法• 解析結果• まとめ• 今後の課題と現在取り組んでいること
2021.03.01

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研究背景
• QGPについて• 高エネルギー衝突実験について• PHENIX実験について

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研究背景
• QGPについて（１）
QGP (クォーク・グルーオン・プラズマ) : クォークやグルーオンが高温・高密度で核子内に閉じ込められていない状態
ハドロン

QGP状態

qq

グルーオン

qq

qqqq

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qqqqqqqq

２０２０年度 卒業研究発表会 高濱 瑠菜qq

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研究背景
• QGPについて（２）ビックバンから数十μ秒後の宇宙はQGP状態だったと考えられている→ QGPの性質を解明することで宇宙の初期状態を理解することができる

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研究背景
• 高エネルギー原子核衝突実験について高エネルギー原子核衝突実験 ： 重い原子核同士をほぼ光速で衝突させることで高温状態を作り出し、QGPを再現することが目的
Relativistic : 光速の、相対論的なHeavy Ion : 重たい原子核
Collider : 衝突させるもの

RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider)• 世界で初めて重イオン衝突実験（高エネルギー原子核衝突実験）を可能にした加速器• 金、鉛、銅などのさまざまな原子核や陽子を加速することができる
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研究背景

本研究では、2014年にPHENIX実• PHENIX実験について

験で収集された sNN = 200GeVのAu+Au衝突のデータを解析した

PHENIX(the Pioneering High EnergyNuclear Interaction Experiment
RHICで行われた２大主要実験の一つ
PHENIX実験のコンセプト• QGPの性質の解明すること

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研究目的
• 研究目的と特色• MPIについて

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研究目的
• 研究目的と特色
研究目的
MPIの効果を重イオン衝突実験において観測すること。
研究の特色
重イオン衝突実験のデータを使うことでMPIの研究にv2を導入した。 

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研究目的
• MPIについて（１）小さい系の衝突で、粒子多重度（ = 衝突によって生成された粒子数、Multiplicity）が多いイベントだけを取り出してみるとQGP-likeなものができているという実験結果が出てきている
Nat. Phys. 15, 214–220 (2019)→ MPI（Multi-Parton Interaction）という考え方

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研究目的
• MPIについて（２）MPI : ハドロン・ハドロン衝突の場合に、ハドロンの構成粒子（＝パートン)同士の多重衝突による反応
重イオン衝突のイメージ図

MPIのイメージ図

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解析方法
• v2について• v2とMultiplicityの相関とMPIの関係• PHENIX検出器について• v2の補正について• double collisionについて

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解析方法
• v2 についてdN∝ 1 + 2v2cos[2(ϕ − ψ2)]d(ϕ − ψ2)
ϕ : 衝突により生成・放出された粒子の方位角
ψ : 反応平面角（原子核の中心同士を結んだ直線とビーム軸とのなす角）
重イオン衝突では衝突によって放出される粒子の方位角が等方的でないことがある→ 方位角異方性• v2＝０→ 等方的• v2 ０→ 方位角異方性がある
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解析方法
• v2とMultiplicityの相関 ~ MPIとMultiplicityの関係 ~小さい衝突系においてMPIが観測されているのはMultiplicityが大きいイベントを取り出したとき→重イオン衝突では、Npart ( 反応に関与した核子数 ) が同じ時、MPIが多く起きていればMultiplicityも大きくなる。

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下村先生の博士論文より

解析方法• v2とMultiplicityの相関 ~ MPIとv2の関係 ~
Cu

Cu

Au

Au

εCu = εAuの時、• v2Cu ＜ v2Au
Eccentricity（楕円率）
Npartv2

εCu
NpartCu
v2Cu

εAu
NpartAuv2Au

Cu < NpartAu
Npart•→ 反応に関与した領域の形が同じ時、反応に関与した粒子数が多い方がv2が大きい→ Npartが同じで多くパートンが衝突している方がv2が大きくなる

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解析方法
• MPIを考慮したときのv2とMultiplicityの関係
Npartが同じイベントを選んだ時① MPIが多く起きている方がMultiplicityが大きい② MPIが多く起きている方がv2が大きい→ Npartが同じくらいのイベントを選び、Multiplicityとv2の相関を調べる。
この時、v2とMultiplicityに正の相関が見えればMPIが起きていると言える。

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解析方法
• PHENIX検出器について
ビーム軸から平行な方向にみたPHENIX検出器

BBC検出器(Beam Beam Counter)• 衝突によって放出された荷電粒子数を測定 → BBCq
Multiplicityの指標

ZDC検出器(Zero Degree Calorimeter)• 衝突に関与していない核子のうち、中性子のエネルギー和を測定 →ZDCe
Nspec（反応に関与していない核子数）の指標
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解析方法
• MPIを考慮したときのv2とBBCqの関係
Nspec : 反応に関与していない核子数

Npart + Nspec = A (質量数）→ NspecがわかればNpartが分かる
Npartが小さくなる方向

MPIの効果が見える→ v2(①) < v2(③)

Npartが同じイベントを選んでv2とMultiplicityの相関を調べる

１ ２

３→ ZDCeが同じくらいのイベントでv2とBBCqの相関を調べる

Multiplicity
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解析方法
• v2の補正について ( 1 )実験で測定されるv2 (v2measured)の値は、反応平面を決める検出器の影響を受ける→ 検出器で測定した反応平面の分解能で求まる補正係数でv2を補正する必要がある。

補正係数をCresoとすると2021.03.01

measuredv
2truev2 =Creso

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解析方法
• v2の補正について ( 2 )• BBC South• BBC North• CN

BBC South + North (3sub method)を用いて反応平面を測定した。
→ 3つの検出器を組み合わせた反応平面の分解能から補正係数Cresoを求める
σBBCσCNT = < cos(2[ψBBC − ψCNT ]) >< cos(2[ψBBC − ψCNT]) >Creso = σBBC =σCNT
σCNT =σBBCS : BBC Southの反応平面の分解能
σBBC = σBBCN σBBCS : BBC South + Northの反応平面の分解能
σCNT : CNTの反応平面の分解能

２０２０年度 卒業研究発表会 高濱 瑠菜  T

2021.03.01(σBBCN σCNT ) . (σBBCSσCNT )σBBCSσBBCN

σBBCN : BBC Northの反応平面の分解能

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解析方法
• BBCqとdouble collisionについて

中心衝突

周辺衝突

double collision： バンチの中で原子核が2回衝突するイベント
BBCqが1800以上のイベントはMPIではな
く、double collisionによってMultiplicityが大きくなっている→ BBCqが1800以下のイベントについてv2とMultiplicityの相関を調べる

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解析方法
• BBCqとdouble collisionの関係
Double collisionが起きたイベント→ 統計が多い付近でv2とMultiplicityの相関を見る

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解析結果
• v2とBBCqの相関• ZDCeの値によるv2の補正係数の違い• 補正係数の違いによるv2とBBCqの相関の違い

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解析結果

● ：ZDCeで区切って求めたv2■：ZDCeを区切らずに求めたv2• v2 vs. BBCq

ZDCe

小• 統計が少ない• 減少している
2021.03.01• 減少から増加に転じている場所がある
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大• 増加は見られない
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解析結果
• ZDCeの値によるv2の補正係数の違い

ZDCeの区切り方• ZDCeの値によってv2の補正係数の傾向は変わらない。
• BBCqが大きいところで値の変化が大きくなる。
• → double collisionの影響
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解析結果
• v2 vs. BBCq

● ZDCeで区切った補正係数で補正したv2●ZDCeで区切っていない補正係数で補正したv2→ ZDCeで区切った補正係数で補正したv2の方が増加に転じる様子は見にくい。
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まとめ
＆
今後の課題
＆
現在取り組んでいること

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まとめ
重イオン衝突実験においてMPIを観測することを目的に• PHENIX実験のAu+Au衝突のデータを用いて、ZDCeが同じくらいのイベントを選びv2とBBCqの相関を調べた• BBCqとv2は全体的には負の相関を持つ。ただしZDCeが700~900付近では増加に転じるポイントが見える。→MPIのシグナル？
• v2を求めた時と同じようにZDCeで区切って求めた補正係数でv2を補正すると、増加傾向が見えにくくなる。

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今後の課題• double collisionのイベントをできる限り落とすカットを使う。
• MPIの効果以外でもMultiplicityの揺らぎができるはず• →どんな時に揺らぎができるか、またそれらをMPIの効果と見分ける方法

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現在取り組んでいること• 今回は同じZDCeのイベントを選んでv2を求めた。
• →BBCqが同じ、またはeccentricityが同じなど、条件を変えて解析をする。
• Multiplicityの指標として今回はBBC検出器のみを使っている。
• →発生した粒子のトラック数を測る検出器も使う。

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Back Up

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解析方法
• resolutionとdouble collisionの関係
resolutionが良い方向

バンチの中で2回以上原子核同士が衝突している(double collision)イベント

Multiplicity

小大

バンチの中で原子核が2回衝突しているときのイメージ

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Resolution

悪い

良い

BBCqが1800以上のイベントはMPIではなく、double collisionによってMultiplicityが大きくなっている→ BBCqが1800以下のイベントについてv2とMultiplicityの相関を調べる
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悪い解析方法

v2の補正なし• v2 vs. BBCqZDCeの幅が違うv2 vs. BBCqを比べた。
→ 傾向は変わらず、統計が多い方がv2の値が安定する。
→ ZDCeの幅を10にして解析を進める

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解析結果

補正していないv2

左のv2を右のresolutionで割って補正する• v2 vs. BBCq

小2021.03.01

ZDCe(Centrality)

大２０２０年度 卒業研究発表会 高濱 瑠菜

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解析結果
• v2 vs. BBCq
補正していないv2

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v2 vs. BBCq

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3sub methodで求めたresolutionで補正したv2

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解析結果

● ：ZDCeで区切って求めたv2■：ZDCeを区切らずに求めたv2• v2 vs. BBCq

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解析結果
• v2 vs. BBCq
● ZDCeで区切った補正係数で補正したv2●ZDCeで区切っていない補正係数で補正したv2

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解析結果
• v2 vs. ZDCe
Centrality 30%~

Centrality 10~40%

Centrality 0~20%

Centrality

大小1000BBCq400500BBCq

BBCq

2009001500• Centralityとv2の関係と、BBCqが大きい方がv2が小さいことは矛盾がない
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２０２０年度 卒業研究発表会 高濱 瑠菜• MPIが起きていれば、同じBBCqでv2とZDCeは正の相関を持つはず

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v2 vs. ZDCe

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v2 vs. ZDCe

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解析結果
• pT vs. BBCq

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pT vs. BBCq
• double collisionのところはpTが小さい

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43Multiplicityの指標

1800

1600

グラフの形が違う。縦軸（Entry）をlogで表しているので、かなりちがいがある。

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44Multiplicityの指標

この傾きが１になるように調整する。
BBCqに0.25かけるとか？

2(BBCq × 0.25) + Npart①2④

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45Minimum bias
18,521,121,185 Events

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