AM,	  Phys.	  Rev.	  C	  90,	  021901(R)	  (2014)	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  AM,	  	  	  	  	  	  	   arXiv:1408.1410	  [nucl-­‐th]	  Related	  work:	  AM	  and	  B.	  Müller,	  arXiv:1403.7310	  [hep-­‐ph]	  Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	
門内 晶彦	  	  理化学研究所 仁科加速器研究センター	  理研BNL研究センター 理論研究グループ	  熱場の量子論とその応用	  2014	  2014年9月5日、理化学研究所、和光	  Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

はじめに	
n

クォークグルーオンプラズマ (QGP):	  QCD非閉じ込め相に現れる
超高温多体系	  Graphics	  by	  AM			  ハドロン相	(クロスオーバー)	 強結合QGP	QGP相	?	

高エネルギー原子核衝突において生成することができる
初期宇宙に実験的に迫る有力な手法	  Au-­‐Au,	  Au-­‐Cu	  (200	  GeV)	  and	  U-­‐U	  (193	  GeV)	  at	  RHIC	  Pb-­‐Pb	  (2.76	  TeV)	  at	  LHC	  

本質的にQCDの現象；電磁気学的な側面（光子）からその集団的性質を探る	  熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	 はじめに	RHIC	  LHC	  2	/	  15	Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

はじめに	
n

原子核衝突における光子	  (低いpT領域)	  ハドロン気体	

t	

崩壊光子 (decay	  photons)	
-­‐	  ハドロン崩壊過程由来	
凍結	ハドロン液体		  	  QGP液体	
Graphics	  by	  AM	

カラーグラス	z	

熱光子 (Thermal	  photons;	  hadron)	
熱光子 (Thermal	  photons;	  QGP)	
-­‐	  媒質の「黒体輻射」由来	
即時光子 (prompt	  photons)	
-­‐	  ハードな過程由来	
直接光子 (direct	  photons)		  強い相互作用に対して不透明	  ハドロンでは凍結以前の情報の大部分が失われる	
電弱相互作用に対しては透明	  光子は時空発展の各点における情報を持つ	
熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	 はじめに	

3	/	  15	

Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

はじめに	n重イオン衝突の観測量:	  Ellip2c	  ﬂow	  (v2)	  y	py	x	px		  	  	  座標空間の異方性	

ハドロンv2は大きい	   RHIC	  (2001),	  LHC	  (2011)	  運動量空間の異方性	
Kolb	  et	  al.,	  PLB	  500,	  232	  (2001)	

流体的な記述とコンシステント	  強結合QGPの「証拠」とされる	  媒質の早い局所平衡化(τ	  <	  1	  fm/c)を示唆	  熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	 Photon	  v2	  puzzle	

4	/	  15	Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

nPhoton	  v2	  puzzle	

直接光子(direct	  photon)の実験結果	  PHENIX,	  PRL	  109,	  122302	  (2012)	  直接光子v2が大きい	   RHIC	  (2011),	  LHC	  (2012)	  流体モデルは小さなv2を予想(実験ではπ0と同程度)	  	  	  重イオンの「標準模型」が通用しない	  “photon	  v2	  puzzle”	  ?

直接光子v3も大きい	   RHIC	  (2014)	  Talk	  by	  S.	  Mizuno	  (PHENIX)	  at	  QM14	  π0のv3と同程度	  原因（の少なくとも一部は）媒質自体の性質によることを示唆	  熱場の量子論とその応用
2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光		  Next	  slide:	 本研究のアプローチ	

5	/	  15	

Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

本研究のアプローチ	
n媒質自体の性質	  τ	  >	  10	  fm/c:	  	  	  	  	  	  ハドロン気体	
凍結	τ	  ~	  1-­‐10	  fm/c:	  	  	  QGP/ハドロン流体	  平衡化	τ	  ~	  0-­‐1	  fm/c:	  	  	  	  グラズマ	  “Limle	  bang”	
Graphics	  by	  AM	τ	  <	  0	  fm/c:	  	  	  	  	  	  	  	  カラーグラス凝縮	-­‐	  カラーグラス凝縮(CGC):	  衝突原子核＝飽和したグルーオン	-­‐	  QGP/ハドロン流体:	  局所平衡化したクォークとグルーオン	

QGP生成において熱平衡化と化学平衡化が同時に起こる必然性はない	  	  熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	 本研究のアプローチ	

6	/	  15	Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

本研究のアプローチ	n

QGP流体初期におけるクォーク過疎状態	  py	py	px	

py	px	px		  	  t	  ・グルーオン・プラズマ	   クォーク・グルーオン・プラズマ	  クォーククォーク・グルーオン・プラズマ	  光子はクォークを含んだ過程で生成されるため時空発展後半の寄与が実効的に大きくなる;	  photon	  v2が大きくなる	  コンプトン散乱	  クォーク対消滅	  +	  熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	+	  …	  Next	  slide:	 媒質のモデル	

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Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

媒質のモデル	n(2+1)次元完全流体モデル +	  反応速度方程式	  エネルギー運動量保存	  (a)	  グルーオン分岐	  zpzppp

クォーク・グルーオン数変化過程	  (1 − z)p	  	  (1 − z)p(b)	  クォーク対生成	  zpzp
pp
(1 − z)p(1 − z)p(c)	  クォークのグルーオン放射	  zp

:	  反応率	  :	  （平衡状態の）パートン数密度	  遅い化学平衡化は化学的な緩和時間：	  zppp(1 − z)p(1 − z)pに対応	  熱場の量子論とその応用
2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光		  Next	  slide:	 インプット	

8	/	  15	Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	インプット	n

初期条件 +	  状態方程式・化学反応率	  グルーオンエネルギー分布:	  	  Kolb,	  Sollfrank	  and	  Heinz,	  PRC	  62,	  054909	  (2000)	
クォークエネルギー分布:	  0	  GeV/fm3	  	  	  初期時刻:	  0.4	  fm/c	  状態方程式:	   Hadron	  resonance	  gas	  (mass	  below	  2	  GeV)	  +	  Parton	  gas	  (Nf	  =	  2)	  	  化学反応率:	  (	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  )	   and	  	  n(	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  )	  光子生成率	  	  	  	  Turbide,	  Rapp	  and	  Gale,	  PRC	  69,	  014903	

ただし	  Traxler	  and	  Thoma,	  PRC	  53,	  1348	

and	  

熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	 結果	9	/	  15	

Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

結果	
n

熱光子(thermal	  photon)	  の	  ellip2c	  ﬂow	  –	  cb依存性	  Thermal	  photon	  v2	  0.250.2

クォーク数密度	  12va2 (eq)va2 (c =0.2, ca,c=1.5)bva2 (c =0.5, ca,c=1.5)
bva2 (c =2.0, ca,c=1.5)

10nq (fm-3)

b0.15

va2	  	  eqnq
nq (c =0.2, ca,c=1.5)
bnq (c =0.5, ca,c=1.5)
bnq (c =2.0, ca,c=1.5)

0.1

8

b6
4

0.05
0
0

2
0.5

1

1.5

22.5

3

3.5

4

4.5

5

p (GeV)
T

0
0

0.5

1

1.5

2

2.5

33.5

o (fm/c)クォークの化学平衡が遅いほど(	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  )	  thermal	  photon	  v2	  が有意に増加する	  局所平衡化モデル	  (AM	  and	  B.	  Müller,	  arXiv:	  1403.7310)	  ではが示唆される	  のとき	  熱場の量子論とその応用
2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光		  Next	  slide:	 結果		  10	/	  15	

Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

結果	
n

熱光子(thermal	  photon)	  の	  ellip2c	  ﬂow	  –	  ca,c	  依存性	  Thermal	  photon	  v2	  0.25
0.2

グルーオン数密度	  va2 (eq)va2 (c =0.5, ca,c=0.0)
bva2 (c =0.5, ca,c=1.5)
bva2 (c =0.5, ca,c=3.0)

1614
12ng (fm-3)

bva20.15	  	  eqngng (c =0.5, ca,c=0.0)
bng (c =0.5, ca,c=1.5)
bng (c =0.5, ca,c=3.0)

0.1

b

10
8
6
4

0.05

20
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

44.5

5

p (GeV)
T

0
0

0.5

1

1.5

2

2.5

33.5

o (fm/c)

グルーオンの化学平衡化が早いと	  thermal	  photon	  v2	  は穏やかに増加する	  グルーオンは過密状態からスタート	  →	  緩和が早いと、初期におけるクォークの生成が抑制されるため	  熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	 まとめと展望	

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Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

まとめと展望	n

化学平衡にないQGPからの熱光子	  (thermal	  photon)	  v2	  を理論から数値的に評価した	  クォークの平衡化が遅いとv2は有意に増加する	  “photon	  v2	  puzzle”	  の解決に前向きな結果	
媒質のカラーグラスからQGPへの時空発展が鍵	  クォークの平衡化が遅いとv2はわずかに減少	  熱光子分布はわずかに減少	

n

	  

将来の展望	  化学非平衡における状態方程式、初期条件、光子生成率の改良、粘性の導入 etc.	  
即時光子 (Prompt	  photon)	  の影響の評価	
化学非平衡QGPにおけるその他の現象論（heavy	  quark,	  etc.)	  	熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	 Prompt	  photon	  vn	

12	/	  15	Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

n

Prompt	  photon	  vn	QGPにおける光学	  AM,	  arXiv:1408.1410	  [nucl-­‐th]	

透明なQCD媒質自体が（非一様・動的な）光学レンズとして機能する	  座標空間の異方性 (ε2,	  ε3,	  …)	  が直接光子の運動量異方性 (v2,	  v3,	  …)	  に投影される	  数値解析 –	  即時光子	  (prompt	  photon)	  vn	  	  -­‐	  Tc付近の特異な振る舞い？	  	  -­‐	  超低運動量領域における半透明性	  	  (vn	  と QGPのプラズマ周波数 が関連)？	  

a , prompt

v2,3,4,5 (a=0)
va2, prompt (a=1)
a , prompt
v3(a=1)
va4, prompt (a=1)
a , prompt
v5(a=1)0.012	  0.01

a ,prompt

異方性に対して正の寄与;	  	  ただしHard	  thermal	  loopに基づく屈折率
では大きさが足りない	  0.014

0.008
0.006

vn	  	  0.004
0.002
0-0.00200.2 0.4 0.6 0.81

1.2 1.4 1.6 1.8

2

p (GeV)T

熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	 The	  end	13	/	  15	Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

The	  end	
Thank	  you	  for	  your	  amen2on!	  
n Website:	  hmp://tkynt2.phys.s.u-­‐tokyo.ac.jp/~monnai/	  n熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	

14	/	  15	

Quark	  chemical	  equilibra2on	  and	  thermal	  photons	  in	  heavy-­‐ion	  collisions	

門内 晶彦（理研BNL研究センター）	

Results	
Transverse	  momentum	  spectra	  of	  thermal	  photons	  na	  	  Thermal	  photon	  par2cle	  spectra	  equilibrium
cb=0.2, ca,c=1.5
cb=0.5, ca,c=1.5
cb=2.0, ca,c=1.5

10-1
10-2

T

10-3
10-4

T(1/2/)dN /p dp dy (GeV-2)

110-5

pT	  spectra	  is	  reduced	  by	  late	  quark	  chemical	  equilibra2on	  	  Eﬀect	  is	  limited	  for	  the	  chosen	  input;	  however	  more	  sophis2cated	  photon	  emission	  rate	  and	  equa2on	  of	  state	  would	  be	  important	  10-6
10-7
10-8
10-9
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3p (GeV)

3.5

44.55(Cf.	  Gelis	  et	  al.,	  JPG	  30,	  S1031)	

T

熱場の量子論とその応用 2014、2014年9月5日、理化学研究所、和光	Next	  slide:	

15	
/	  15