高エネルギー原子核衝突実験における直接光子の高次方位角異方性を用いた
QGP研究
Dec. 12th 2016
Sanshiro Mizuno
sanshiro@bnl.gov

クォークグルーオンプラズマ(QGP)

P.R.D 80, 014504(2009)

QCD相図

格子QCD計算の予想

バリオン密度と温度の相図

ε ≈ 1GeV/fm3 : T ≈ 170MeV•

宇宙初期に存在したとされているQGP物質の性質解明•

極限の高温高密度によってクォーク、グルーオンが比較的自由に動き回れる状態

2

大型加速器 (RHIC, LHC)

RHIC加速器(アメリカ)•

LHC加速器(スイスとフランス)

RHIC : p+p, d+Au, Cu+Cu, Cu+Au, Au+Au 200GeV
p+p 510GeV, U+U 193GeV•LHC : p+p, p+Pb, Pb+Pb 5.02TeV
3

PHENIX実験・STAR実験•

2つの実験が長年行われていた、
PHENIX : 様々な粒子識別のための検出器(sPHENIXになる予定)
STAR : 2πの方位角を覆ったTPC
4QGPのシグナル (原子核効果)

YAA
RAA =
Ncoll Ypp
Ypp : 発生粒子数 @ pp
YAA : 発生粒子数 @ AA
Ncoll : AA内での核子の衝突回数•

単純なppの重ね合わせでは再現できない何かしらの物質ができている可能性がある
5dNd(φ -ΨR.P.

)

QGPのシグナル (方位角異方性)
反応平面
Reaction Plane-101dφ=(φ -Ψ)

R.P.

R.P.方向に対する荷電粒子生成数分布•N(R.P. ) =N0 [1 + 2v2 cos {2(R.P. )}]v2 = hcos {2(R.P. )}i

単純なppの重ね合わせでは説明できない
粘性を持った液体のような振る舞い
衝突初期の形状に依存している

6

衝突実験の時間発展のイメージ図
衝突

QGP

ハドロンガス

強い散乱

流体発展Freeze-out
ハドロン化

熱平衡化
ハドロン光子•

光子 : 様々な起原を持っており常に放出されている強い相互作用されずにでてくる•ハドロン : freeze-out後から放出される
7直接光子 (= 全光子 - 崩壊光子)•

ハドロンの崩壊からくる光子(π0->γγ)以外の全光子
様々な発生起源を持っている

pT(GeV/c)•

起源を特定しながら測定する必要がある
pT spectra、方位角異方性 (v2,,)

パートン同士の強い散乱
jet起原
熱光子 (QGP)
熱光子 (ハドロンガス)
ハドロン崩壊time

8直接光子の生成量の比較
P.R.L. 80, 014504(2009)•

重イオン衝突実験で初めて測定された低い運動量領域の光子生成量分布
収量の差にexponential関数をﬁtして温度を引き出す
膨張する系の平均温度
Centrality

Effective temperature

0% - 20%

221 ± 19 ± 19 (MeV)

20% - 40%217 ± 18 ± 16 (MeV)Min

233 ± 14 ± 19 (MeV)

相転移温度 ~ 170MeV
初期温度(モデル依存)
300(τ=0.6fm/c)-600(τ=0.15fm/c) MeV•

RAA~10 (pT<1) : 熱光子が支配的(?)
RAA ~ 1 (4<pT) : 衝突初期の光子が支配的(?)

YAA
RAA =Ncoll Ypp9

直接光子の方位角異方性
P.R.L. 109, 122302(2012)

π0(ハドロン)•

全光子

光子v2 ~ π0v２ (pT~2)

直接光子

v2 = hcos {2(R.P. )}i
R.P.

光子v2~0 < π0v２ (4<pT)
QGPの時間発展とともに大きなv2 -> 後期の光子??
10初期の熱光子・後期の熱光子•

非常に高温からの熱光子が支配的 -> 初期が支配的
熱源の温度 : 220MeV
ハドロンと同程度のv2 -> 後期が支配的
Freeze-out温度 : 100-110MeV•

膨張する系の温度
v2を大きくする何か新しい物理(磁場?)•Central

中心衝突度依存性を調べる
高次方位角異方性の測定

Peripheral11

高次方位角異方性

vn

P.R.L. 107,252301

Ψ3
Ψ2N(n) =pT(GeV/c)

N0 [1 + 2⌃vn cos {n(vn = hcos {n(n )}]n )}i•2次だけでなく高次を測定することで光子v2がハドロンv2と同程度の大きさを持つ起原を調べる•

異方性(終状態) ∝ 異方性(形状異方性) x 膨張(QGP+HG)
12

Event Plane測定

Res(n ) = hcos {n (p.p.
n )}iQx = ⌃wi cos {n (n )}Qy = ⌃wi sin {n (n )}n = atan2 (Qy , Qx ) /n•粒子の発生方向の偏りから測定
形状からくる発生粒子の偏りはどの位置でも同じと仮定
13

光子の測定•Electromagnetic calorimeterhigh pTまで測定することができる : 1 < pT < 15 GeV/c•

Conversion光子(γ->e++e-)を用いる方法
low pTを測定することができる : 0.2 < pT GeV/c
統計的に難しい14直接光子のvnの導出•

直接光子 = 全光子 - 崩壊光子
崩壊光子vnはシミュレーションを用いて見積もる
π0粒子については実験で測定されているが、η, ωなどの粒子は測定が難しい -> π0の結果から仮定する

vndec.
1

R = Ninc. /Ndec.

v3inc.
Rv
ndir.
vn =Rv2Ninc. vninc. = Ndir. vndir. + Ndec. vndec.

0.05

0.05

0.10.1

neutral pion
inclusive photon
0002468p (GeV/c)
T02468p (GeV/c)
T15

崩壊光子のvn
1−1

v30.15v2

Contribution ratio

それぞれの崩壊光子/全崩壊光子
0.1

γ dec. from ργ dec. from η'0.1

10

all γ dec.
0.05

10−2γ dec. from π00.05−3γ dec. from η10γ dec. from ω10−402468p (GeV/c)
T•0002468p (GeV/c)

0T

2468p (GeV/c)
Tπ0, η, ω, ρ, ηʼの5粒子を親としてインプット
崩壊光子の割合とそれぞれのvnをシミュレーションで見積もる
全崩壊光子のvnを見積もる
16

v2v3

全光子と崩壊光子の比較

0.05

0.05

000.1

0inclusive photon
decay photon

0.1

2468p (GeV/c)
T02468p (GeV/c)
Tinc.
Rv
ndir.
vn =Rvndec.
1

R = Ninc. /Ndec.
•

全光子vnと崩壊光子vnにわずかな差がある
違いとRγから直接光子vnを引き出す

17

直接光子vnの比較•P.R.C 94, 064901(2016)

高次の項でも有限の値ハドロンと同程度のvn、centrality依存性を持っているハドロンと同様に初期形状の異方性を起源としている
18

まとめ•

直接光子vnの測定
低いpT領域はハドロンと同程度の時間から放出される光子が支配的な可能性がある
モデル計算では収量とvnを同時に説明することができていない•

衝突初期にしか生成されない重クォーク解析
直接光子よりもQGPの時間発展について研究できる可能性がある

19

STAR実験・HFT検出器
VPD
TOF

TPC

Heavy Flavor Tracker (HFT)

Silicon Strip Detector : r~22cm
Intermediate Silicon Tracker : r~14cm
PIXEL : r~2.8, 8cm

20直接粒子の解析•

HFTを用いた荷電π, K, pのスペクトラ解析•

測定される陽子の約40%はΛ粒子の弱い相互作用による崩壊からくる
Λ粒子等の収量から陽子の収量を見積る

p

全陽子の収量から差をとる
π
Distance of Closest Approach (DCA)によって直接測定するΛ : cτ=7.89cm
collision vertex

21

HFTを用いることでのpurity
1
proton0.95

Au+Au 200GeV
0-10%

0.90.85threshold : ε eff.×acc.(p =3)/2T

weak decay + knockout background<1% at p >1GeV/c

0.80T

0.5

11.5
2p (GeV/c)

εpurity = NRC-prompt / NRC-all

εpurity = NRC-prompt / NRC-all"purity = NRC prompt /NRC all1
anti-proton

0.95

threshold<ε eff.×acc.
ε eff.×acc.<threshold

0.9

threshold<ε eff.×acc.
ε eff.×acc.<thresholdweak decay contribution

0.85<1% at p >1GeV/c

0.80T

0.5

1T•

1.5
2p (GeV/c)
THFTを用いてDCAのカットを加えることで99%以上のpurityでprotonの測定ができている
22

STAR preliminary

10110−110−20TT10positiveπ++Kproton
110210110−110−223p (GeV/c)
T•

T

Au+Au 200GeV, 0-10%

21/(2πp )d2N/(dp dy)

T1/(2πp )d2N/(dp dy)

荷電π, K, pスペクトラ解析

0negativeπK
anti-proton
123p (GeV/c)
T

HFTが入っていることで検出器の補正が大きくなりすぎることで低いpTでの測定がむずがしくなっている
過去の結果とエラーの範囲でよくあっている
23

24

25

直接光子の生成量の比較•Centrality

Effective temperature

0% - 20%239 ± 25 ± 7 (MeV)20% - 40%

260 ± 33 ± 8 (MeV)

40% - 60%

225 ± 28 ± 6 (MeV)

粒子密度、膨張速度の違いに依存していない

P.R.C 91, 064904 (2015)26

0.15v3v2

直接光子vnの比較
0.15

Neutral pion vn
0.1

Inclusive photon vn

0.1

Direct photon vn
0.05

0.05

00

0

510p (GeV/c)
T•0510p (GeV/c)
T

高い運動量からくるハドロンが高い運動量を持つパートン起源とするとハドロンと光子のvnの比較により高い運動量域(4<pT)での起源の違いを定量的に議論できる可能性がある
27

2層構造のPIXEL検出器•2cm x 2cmの領域に928x960 sensor
内側 : 10本
外側 : 30本

28表面構造の調べる•

インストールする前にセクター1個ずつ調べる
29•

表面の構造の理解

30

PXL alignment steps
1. Right sectors (6-10) are aligned to left sectors (1-5).
1

2. Sector to Sector alignment
1(ref)-5 1(ref)-6 1(ref)-76(ref)-2 9(ref)-3 10(ref)-410２938745(ref)-9 2(ref)-8 5(ref)-1056(ex. sec.10 is aligned to sec.5 and to sec.1)
3. In order to obtain more statistics, 3 reference sectors
are used for alignment.
(ex. sec.8 is aligned to sec 2,3,4.)
Sector -> PXL half -> PXL whole -> PST

31

宇宙線を使ってHFTの相対位置を調べる
900

1400
1000

Inner

µ=-9.2±0.4µm∆x800

σ=24.7±0.4µm

1200

Inner

µ=-10.1±0.3µm

800

Inner

µ=-8.4±0.4µm∆yσ=17.6±0.3µm

700

∆z

σ=29.2±0.5µm

1000w/ loose cut

Before

600

After

600

800

500

600

400

400

300

400

200

200

200−00.2 −0.15 −0.1 −0.05

600
500

00.05

0.1

0.15 0.2∆ x[cm]Outerµ=-9.4±0.7µm∆xσ=48.4±0.7µm

100−00.2 −0.15 −0.1 −0.05

900
800
700

00.05

0.1

0.15 0.2∆ y[cm]00.050.1

0.15 0.2∆ z[cm]

500

Outer

µ=-10.6±0.5µm∆yσ=30.2±0.5µm

600

400

−00.2 −0.15 −0.1 −0.05

400Outerµ=-9.9±0.8µm∆z

σ=57.1±0.9µm

300500300400200300

200200100

100
100−00.2 −0.15 −0.1 −0.05

00.05

0.1

0.15 0.2∆ x[cm]−00.2 −0.15 −0.1 −0.05

00.05

0.1

0.15 0.2∆ y[cm]−00.2 −0.15 −0.1 −0.05

00.05

0.1

0.15 0.2∆ z[cm]32

π+200STAR preliminary
STAR (2004)
PHENIX (2004)

20200300

Npart

Au+Au 200GeV|y|<0.1

1000dN/dydN/dy100

60100K200300

Npart-4020040100200300

Npartanti-proton

20201000030100•

Inclusive proton
Prompt proton40

π-00proton

2000200

604030

100

300

+

dN/dy

300

K

dN/dy

dN/dy

dN/dy

dN/dy分布300

Npart0010
100

200300

Npart00100

200300Npart

エラーの範囲でデータと過去の論文の結果と一致している
33