RHIC/LHC/J-PARC の次期計画；
高エネルギー重イオン衝突の新展開
中條 達也
筑波大学 数理物質系 物理学域
２０１３年日本物理学会秋季大会シンポジウム「高温クォーク物質研究の最前線: 発見から精密研究へ」
２０１３年９月２１日

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1. イントロダクション

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RHIC

LHC

• RHIC 稼働から14年、LHC 稼働から4 年が経過。
• 高エネルギー重イオン物理はこの十数年間で強結合 QGP の発見、及びその性質に関する様々な知見が得られた。

• 各加速器・実験では大規模な次期高度化計画が進行中• 本講演では、高エネルギー重イオン衝突の物理において、まだ何が分かっていないのかを精査し、今後１０年間に実験的にその課題にどのようにアプローチしようとしているのか？
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日本の核物理の将来レポート (2012)「高エネルギー重イオン」
３つの研究の柱：• QGP物性の精密研究、熱平衡化機構（ゲージ場のダイナミクス）の研究• 有限密度QCD相構造の研究• カイラル対称性の回復現象の研究「日本の核物理の将来レポート」より抜粋

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2. まだ分かっていないこと5

高エネルギー重イオンの物理;まだ分かっていないこと• QGP物性量(比粘性、輸送係数等)の温度依存性• QGPの応答• ハドロン質量発現機構• 衝突初期条件、（早期）熱化機構• QCD 相構造
キーとなる測定量(1) ジェット (high pT)、直接光子(2) 高次異方性（ 種々のハドロン、フォトン、lightquark, heavy quark）(3) レプトン対精密測定

高速化とhigh pT 化が必須
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高次異方性 (higher harmonics)で分かる
QGP物性
FFlluuccttuuaattiioonnss  ooff  tthhee  UUnniivveerrssee

FFlluuccttuuaattiioonnss  ooff  LLiittttllee  bbaanngg

AALLIICCEE,,  SSeepp,,

Power spectrum

8th重イオン衝突
Plank (2013)
宇宙論パラメータの決定衝突初期条件, QGP物性量 (例； η/s)

レアプローブ（種々のハドロン、フォトン、lepton, light quark, heavy quark）の高次異方性測定により、熱化メカニズム、 衝突初期条件、 QGP物性（粘性等）がわかる→

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測定装置の高速化と High-pT 化が鍵7

η/s 温度依存性？

• IP-Glasma モデル (color charge fluctuation)• 高次異方性の測定と比較、η/s がRHIC とLHC で異なる可能性• RHIC で最小の η/s ？
•温度度依存性はあるのか？
Björn Schenke (BNL) RHIC AGS Users’ Meeting 2013, BNL

C. Gale, S. Jeon, B.Schenke,
P.Tribedy, R.Venugopalan, PRL110, 012302 (2013)8

ジェット測定で分かるQGP物性

5-1C$+(&/8%&V%4$A#&

LHC エネルギー：• RHIC に比べてハードプロセスが支配的• ジェットを基軸とした新たな観測量：• ジェット通過によるQGP媒質応答• 重クォークジェット、ジェット対、光子-ジェット• 失ったエネルギーの再分配、EOS、音速• 重いクォークの強結合系QGPとの相互作用（熱化、相互作用の強さ）→

データ読み出し高速化が必要

RHIC エネルギー：_8%+&41%.&/8%&./-1+()0&<1AI)%4&CA)9&D)1S%-&#1#%+/6#&I/-"+.$61+&/1&"&G%"9)0&<1AI)%4&I-1C%&D=$(=%-&#1#%+/6#&*• 既存の装置はジェット測定に特化されてなく、収量や精度の点で、ジェットの直接測定が困難• 2 πカロリメータを設置. High pT 化を図り、RHIC エネルギーでのジェット測定が可能に→

ジェットエネルギー損失の温度依存性
9カイラル対称性の回復現象• レプトン対質量分布の余剰成分：•媒質効果によるρ 中間子のbroadening の効果と無矛盾↑

CERES 実験での電子対質量分布(SPS)
A. Agakichiev et al., Phys. Rev. Lett. 75, 1272
(1995). A. Agakichiev et al., Eur. Phys. J. C4,231 (1998).

• 高温領域 (LHC) ではどうか？
• 高密度領域（例えば FAIR, JPARC) では測定されていない←PHENIX 実験で高温側、高密度側の両方のの電子対質量分布アプローチが不可欠

Au+Au (RHIC)＋A. Adare et al., Phys. Rev. C 81,034911 (2010).

理論の進展
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衝突初期条件の決定、早期熱化の謎• d-Au (RHIC), p-Pb (LHC) の結果には カラーグラス凝縮（CGC） を示唆するものの、未だ決定的ではない (final state interaction を含むハドロン測定が主)。

• 実験的課題：よりクリーンなプローブによる前方の測定が不可欠（例：直接光子）• CGC vs. Glauber 初期条件 → QGPにおける早期熱化機構の解明へ
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QCD 相図の解明•

RHIC ビームエネルギースキャン (BES-I; BeamEnergy Scan), 7.7 - 62.4 GeV による臨界点探査– RAA, v2 のクォーク数スケーリング、揺らぎ測定など– 未だその兆候なし。

•より詳細なスキャン (BES-II) @ RHIC

•J-PARCでの重イオン加速の可能性

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3. 実験的にどの様にアプローチするか(2014 ~ 2025頃まで)

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LHC	  run	  plan•2013.02	  -­‐	  2014:	  – LHC	  Long	  Shutdown	  1	  (LS1)☜今ココ• ALICE:	  DCAL	  電磁カロリメータ検出器導入,	  遷移放射	  (TRD)	  検出器完成•2015,	  2016,	  2017:	  – デザイン最高エネルギー物理ラン；	  √sNN	  =	  5.5	  TeV	  での	  Pb-­‐Pb,	  14	  TeV	  p-­‐p•

2018:	  – LHC	  Long	  Shutdown	  2	  (LS2)– LHC	  高輝度化に向けた検出器のアップグレード– ALICE	  upgrade:	  新しいシリコン検出器,	  GEM-­‐TPC検出器導入	  など.

•2019,	  2020,	  2021,	  2022:	  	  – LHC	  高輝度物理ラン	  (p-­‐p,	  Pb-­‐Pb	  each	  year)– 50kHz	  Pb-­‐Pb	  (今の100倍)での運転– ALICE:	  FOCAL	  前方光子検出器導入 (計画中)1414

ALICE	  Dijet	  Calorimeter	  (=	  DCal)•

中性成分を含む（フル）ダイジェットを測定す
る電磁カロリメータ（筑波大）– R = 0.4 コーン半径, pT ~ 150 GeV/cまで.
– 光子・ジェット対トリガー (L1) 能力向上

PHOS
DCal

DCal スーパモジュール (2013.09 @ CERN)

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DCal	  検出器導入による新たな物理	  Medium	  response	  with	  jets

3+1 hydro + jet (Tachibana, Hirano) QM2012• ALICE の高い荷電粒子識別能力(0.15 – 20 GeV/c) と光子、ジェット同定• 低運動量粒子を含むジェット媒質応答の研究• QGPバルクな性質 (PID spectra, vn, HBT) とジェット対エネルギーバランス• ジェット-ジェット, γ-ジェット• アクセス可能性のあるQGP物性量： cs, EOS by グルーオン衝撃波の観測• 荷電粒子との同時測定なので、読み出しには TPC 高速化が必須
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ALICE実験 高速化 (after LS-2, 2018-)
ALICE 実験測定器の高速化✓GEM-TPC連続読出高速化 (東大 CNS)
✓PHOSカロリメータ高速化 (広島大)✓ ITS シリコン検出器高速化
LHCの高輝度化、Pb-Pb衝突(50kHz)に対応
全衝突事象を記録し、これまでの100倍のデータ取得（ATLAS, CMS 実験では不可能）→

高精度測定、レア事象へのアクセスが可能に

ALICE実験高度化: 総額€40M
LHCCによるendorsement (2012年9月)

物理の目標：
ジェットともに低運動粒子 (PID含)、重クォークや光子やレプトン対の方位角異方性を同時測定→QGP媒質応答、重クォークと強結合系の相互作用（熱化、相互作用の強さ）を決定
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GEM-TPC 高度化‣ TPC のレート対応能力の強化• Pb-Pb 衝突の全ての事象を50kHz で読出し
• 現状は 500 Hz が限度 (MWPC
Gating Grid 方式）•

Gating Grid なしで、連続読み出し•→ GEM (Gas Electron Multiplier)•2018年インストールに向けてR&D 進行中•

イオンフィードバック、分解能、安定性の改善•

プロトタイプ製作、ビームテスト、読み出し回路開発、シミュレーション

GEM

導入予定の GEM-TPC
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Expected performance (low-massdi-electron pair), w/ hadronic BG
BeforeAfter

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Expected performance (low-mass
di-electron pair), w/o hadronic BG
BeforeAfter

アップグレード前後の余剰成分（シグナル）→カイラル対称性の回復現象の精密測定へ！
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Direct photon RpA (η=4)

FOCAL 検出器

CGC vs. normal nuclear effects
linear evolution, shadowing

FOCAL 検出器（案）•η= 3-5 をカバーする前方光子検出器（筑波大、東大CNS）•電磁カロリメータとハドロンカロリメータ•ALICE 実験内で導入を検討中•前方での直接光子測定により、CGC を検証、衝突初期条件の決定とQGP熱化機構に迫る。
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RHIC run plan•••••••

2014 (Au+Au 200 GeV with F/VTX),2015 (p-Au, p-Si, p-Cu, p-p, d-Au, 3He+Au @ 200 GeV with MPC-EX),
2016 (高統計 A+A):
2017 (シャットダウン、BES-II 用ルミノシティアップグレード)
2018 (BES-II), 2019(BES-II), 5-20 GeV Au+Au
2020 (シャットダウン、eRHIC 建設開始、sPHENIX 建設)
2021, 2022: sPHENIX実験••

Long 200 GeV Au-Au, with sPHENIX, p-p, d-Au 200 GeV

2023, 2024 (シャットダウン, eRHIC/ ePHENIX 建設へ)

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F/VTX 検出器•

2014/15 でのキーとなる検出器(Au+Au 200GeV, p-A 200 GeV)

•前方 FVTX で muon チャンネル
での c/b 分離測定•c/bクォークの拡散係数決定など、重クォーク測定によるQGP物性研究を展開

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前方光子検出 (MPC-EX)• シリコン飛跡検出とプレシャワーによる直接光子及び高運動量 π 測定
• 2015 年よりフルで物理運転開始• low-x の物理、グルーオン飽和、CGC 探査, gluon nPDF に制限
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PHENIX実験 High-pT 化
High-pT 化
ジェット測定強化重クォーク測定強化• 測定器の新規建設
PHENIX → sPHENIX• 日本が建設を主導する検出器：✓ シリコン飛跡検出器✓ プレシャワー検出器
sPHENIX実験: 総額$20M-30M
arXiv:1207.6378

ジェット、重クォーク測定から、RHICエネルギーでのQGP中でのエネルギー損失(輸送係数)の温度依存性を決定
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Full jet at RHIC !
• Au+Au中心衝突 @ 200
GeV: 106 jets/year with ET >30 GeV, 80% のそれらのジェットは |η| < 1 内に d-jet.

➡ RHIC で初のフルジェット測定, Aj 測定、ジェットプロ
パティの温度依存性 (LHCとの違い）

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sPHENIX 準備状況

•BaBar のソレノイド電磁石 (内径 140 cm, 長さ 385 cm, 磁場 1.5 T) が入手可能に•sPHENIX 終了後は ePHENIX 実験として存続を予定

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J-­‐PARC	  における重イオン実験の検討• J-­‐PARC:	  – 高ルミノシティー原子核衝突実験の可能性•

JAEA、J-­‐PARC	  加速器、高エネルギー核物
理研究者有志が、重イオン計画のインフォーマルな検討を行っている（2011年12月〜）.

•目的：– 高バリオン密度におけるＱＣＤ相構
造解明、ＱＣＤ臨界点の探索– 重イオン衝突では�、5-10�ρ0 程度まで達成可能

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J-­‐PARC	  重イオン衝突の物理@10-­‐15GeV/A	  (√sNN	  =4.5-­‐5.4	  GeV	  )•軽イオンから	  U	  重イオンまで加速（新イオン源;	  ECR, laser, EBIS）•AGS	  では測定しなかった（出来なかった）物理量を初めて測定– 物理量のゆらぎ（粒子数、運動量、vn 等)➡ 	  QCD	  臨界点探査、QCD相図の	  mapping	  – レプトン対(電子,	  muon)、光子、σメソン（？）➡ カイラル対称性回復の研究、熱光子測定– エキゾティックハドロン/原子核、チャームの物理• mulWple-­‐strangeness	  (ストレンジレット探査)	  • ２重、３重	  ハイパー核• チャームハドロン(J/Ψ,D)– ハドロンガスの物性量測定、高密度核物質の物性

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まとめ
• 次期 RHIC, LHC, (J-PARC) における重イオン実験は互
いに相補的かつ、ユニークな位置にある。
•今後１０〜２０年、QGP物性、QCD相構造、カイラル対称性の回復現象の研究は新たなフェーズへ突入する可能性を大いに秘めている。

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