宇宙史拠点実習Ⅱ
期間：7/1/2008 ‒ 8/1/2008
実施場所：CERN, France/Switzerland

宇宙史拠点実習Ⅱ説明会（6/26/2008, 筑波‐CERN）

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Practical Info
ALICE ：計６名（原子核実験４名、宇宙観測２名）
ATLAS：計９名（素粒子実験９名）- 参加者：
素粒子実験１年（河内山、瀬賀、塙、林、松隈、三井）6名
素粒子実験２年（武政、須藤、秦野）3名
原子核実験１年（横山、浜田、梶谷）3名
原子核実験２年（坂田）１名
宇宙観測1年（秋山）1名
宇宙観測２年（荒井）１名- 現地の対応者 (ALICE側)： 金野、中條、三明、渡辺(D1)- CERN ユーザー登録：
手続き： 到着翌日 (7/2)の午後 、CERNユーザーズオフィス
必要な書類： パスポート、在学証明書（英文）、旅行保険証、及び、記入済みのユーザー登録フォーム=> アクセスカードの取得- 計算機アカウントの申請- 安全講習2

Practical Info
- 宿泊先：
自炊可能なアパート (Prevessin)、共同生活。
- 移動：
ホテルはフランス、研究所はスイス、実験室はフランス。
パスポートとアクセスカードを常時携行。
レンタカー： 集団行動。運転する場合は国際免許証が必要。
- 旅行保険は必須。保険の書類を携行。
- CERN での居室 (ALICE)： 587-r-023, 13-r-002- 各自ノートPCを持参すると便利。変換プラグ・変圧器も必要。

税金で実習費用が負担されていることを認識！

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Large Hadron Collider

LHC Cooldown Status
Large Hadron Collider (LHC)- 周長：27 km、トンネル深度（地下）：50 - 175 m- ビーム：protons at 7 TeV, heavy ions at 2.75 TeV- 衝突点：ATLAS, ALICE, CMS, LHCb（４実験）
LHC Plan- Cosmic run is ongoing for detector commissioning- Early August/2008: first beam expected- September/2008: fist collisions (p+p) expected

世界最高エネルギーStart Up Phase4

What’s the matter at LHC?
Many physical properties to bemeasured, in order tocharacterize the matterproduced at the relativistic
heavy ion collisions. Forexample:
 Initial Temperature, Energy

density, Baryon chemical
potential, speed of sound,shear viscosity/entropy ratio,
gluon density, degrees offreedom, and Equation ofState (EOS) ….
 QCD material science.

How can we measure them?

How to map out the phase
diagram of QCD?

5ALICE Experiment

TPC Installation
ALICE detector
ALICE 実験
- 目的：高エネルギー密度状態でのQuark-Gluon Plasma (QGP) 生成- QGP物性の研究（これまでもCERN-SPSやBNL-RHICで様々な実験が行われてきた。RHICでは今も進行中。）- 重イオン衝突に特化した検出器- ハドロン・電子・ミュー粒子・光子を系統的に測定- p+p 衝突でも稼働

TRD Installation
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実習内容

＊ATLAS班とALICE班に分かれて実習

講義- CERN Summer Student Lecture Programme （午前中）=> レポート提出（8/31〆切）

共通実習- ALICE Data Taking シフト （８時間/日、１週間）

テーマ実習

テーマを１つ決めて取り組む

中間報告会（7/17頃TV会議）
最終報告会（7/31頃TV会議）(1) ALICE 宇宙線データの解析、DCSの開発(1-a) 宇宙線データの解析(1-b) DCSの開発(2) ALICE オフライン環境でのシミュレーション(2-a) ALICE実験におけるジェット事象の再構成(2-b) p+p 衝突におけるQGP的性質(2-c) ALICE実験における反応平面の可能性(2-d) Three-particle correlations(2-e) Initial temperature at LHC(3) PHENIX 重イオン衝突データの解析(3-a) Run-7データを用いたΦ・Λの測定(3-b) Run-7データを用いたパイゼロ・光子の測定

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CERN Summer Student Lecture Programme‐ 7/2 (Wed.) - 8/8 (Fri.)‐ 9:15 - 12:30, Weekdays
講義内容:‐ Particle Physics, Nuclear Physics‐ Astroparticle physics, Cosmology‐ Accelerators, Detectors‐ Experimental techniquesなど

内容はとても充実している。

* https://hr-recruit.web.cern.ch/hr-recruit/summies/default.asp＊講義スライドはWebに置かれ、ダウンロード可能。
＊午前中の講義でよく分からなかった点を記録しておき、午後それらについて文献に当たったり、自分で計算をすると理解が深まる。
セミナーやSummer Student Programなど様々な催しがあるので積極的に参加して視野を拡げる。
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ALICE Data Taking Shift ‒ Cosmic Run
ALICE Data Taking ShiL (24 hours a day, 7 days a week)‐ Night shift (00:00-08:00)‐ Day shift(08:00-16:00)‐ Evening shift (16:00-24:00)

夕方の時間帯がベスト。

TRD&TPC Shift in ALICE Control Room‐ 7/7 ‐ 7/13
‐ 7/14 ‐ 7/20
‐ 7/21 ‐ 7/27

２人でペアを組んで１週間のシフトを取る。
（前半/後半 or １週間連続）* TRD = TransiOon RadiaOon Detector* TPC = Time ProjecOon Chamber* セイフティートレーニングとアクセスリクエストが事前に必要です。
* 初めの数日は金野・渡辺(D1)がヘルプします。
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以下、個別テーマの説明。

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(1) ALICE宇宙線データの解析、DCSの開発（ファーストコリジョンは見れないかも知れないけれど・・・）(1‐a) 宇宙線データの解析 （担当：金野）
シフトは必須。
- Taking TRD shift for one week
- Hardware/software debugging
Readout, QA, Noise, ADC time bin data ; TRD raw data

4 TRD SM’s installed

Monitoring plots11- Calibration
Pulse height distribution, Cluster position ; TRD
Prepare pedestal, gain tables for readout chips
HV setting (Anode, Cathode)- Tracking, Alignment
Cluster position ; TRD/TPC

Tracking in TRD

基本的にプログラミング。
取得したデータに触れます。
バグ取り。

Shower event12(1‐b) DCSの開発（担当：金野、渡辺）
実験全体の理解。

Detector Controls System (DCS)-- To control and operate the experiment from a central
operator workplace during all modes of operation.

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- Software, concepts:
PVSS (process visualization and control system)
FSM (finite state machine) etc.
プログラミング自体は簡単。
- Develop a part of the TRD DCS
HV control system
FSM states (routine, majority rules)

TRD operator console

概念や仕組みの理解が必要。
実際のTRD‐DCSの不足部分を補う。

HV control panel14(2) ALICEオフライン環境でのシミュレーション（ALICE環境での擬似データの解析。テーマを１つ決めて物理解析。）(2‐a) ALICE実験におけるジェット事象の再構成 （担当：金野）- Utilize initial hard parton scattering as a probe=> High energy jets, photons, heavy flavors- Measure jet structure & medium-induced modification- Investigate energy loss mechanism with quark/gluon jets

エネルギー損失の大きさの予測（クォーク、グルオン）

NPA 784, 426 (2007)

粒子多重度（クォークジェット、グルオンジェット）PRL 94, 171802 (2005)

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- EMCal / HCal needed for triggering
Approved fro funding: Jan. 2008
Construct / Install: 2009-2011⇒ Need to fix the detailed design!
Detector simulaOon with Geant4

ALICE電磁カロリメータ- Jet finding in heavy ion collisions
the problem is soft particles background=> How to subtract such background?
(pT cut, jet cone size, etc.)
Need to esOmate the eﬃciency & S/N(Pythia simulaOon)
100 GeV jet in central Pb+Pb
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(2‐b) p+p 衝突におけるQGP的性質（担当：金野）Multiplicity distributions
in p+p at LHC- Heavy Ion Physics with p+p at LHC?
Particle density dNch/dη ~ 50 – 100 can be reached in p+p> central S+S @ SPS, mid-central Cu+Cu @ RHICdNch/dη ~ 50 !

- Hadronic FS interactions- Multiple partonic interactions=> Collective flow, Thermal behavior=> small QGP?
- Comparison between p+p and A+A at similar dN/dη=> Volume/density/lifetime effect?
v2 や HBT 測定を試す。

Shukraft, Alice08

PHOBOS
nucl‐ex 0709.4008

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- High multiplicity p+p events = Jets=> Can one separate the ‘soft’ from the ‘hard’?
=> Try veto on jets
InclusiveSoftHard

CDF (PRD 65:072005, 2002)- How do high multiplicity events look likein various event generators (Pythia, Herwig, etc.)?
- Veto on jets in the ALICE environment a la CDF/STAR=> pT sum ΣpT, pT balance (event shape)

ALICE実験環境での手法のテスト。

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(2‐c) ALICE実験における反応平面の可能性 （担当：江角）
Z

Y

超前方領域

前方領域

中心領域

前方領域

超前方領域

X

yφi
Φ2xtan(nΦn) =Σ wi*sin(nφi)Σ wi*cos(nφi)

v2(楕円的粒子放出)の原因：‐ 異方性を持った圧力勾配‐ QGP形状とジェット吸収
PYTHIA (p+p)
HIJING (p+p の重ね合わせ、ジェット消滅)
AMPT (パートンカスケード)
HYDRO+JET (流体+ジェットモデル)＋ALICE
検出器

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TPC (TimeProjection Chamber)

TRD (TransitionRadiation Detector)
ITS (InnerTracking System)

中心角度領域20前方角度領域

T0

FMD (ForwardMultiplicity Detector)

V021

ZDC (Zero DegreeCalorimeter)(超)前方角度領域

V0T0L

PMD

FMD

T0R

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(2‐d) Three‐parOcle correlaOons（担当：中條）Three‐par0cle correla0ons in Pb+Pb and p+p collisions at LHC‐ALICE(possibly) producing a Mach‐cone shock wave at LHC, when a energeOc
parton is traveling though a hot and dense medium (QGP).
Measure the Mach‐cone angle, speed of sound in QGP!

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Jet modiﬁcaOon at RHIC
A UA2 two-jet event, ca
1982– From two parOcle correlaOons ofcharged hadrons, away side jet
modiﬁcaOon is observed at RHIC.
– Possible mechanism is due to theMach‐cone shock wave generated bylarge energy deposiOon in thehydrodynamic medium.
– Three parOcle correlaOon provides a
powerful tool to idenOfy theunderlying physics process.
– If it is Mach‐cone shock wave:••

Speed of sound (cs ) in the stronglyinteracOng QGP
EOS of the maher.

Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 052301 (PHENIX)

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Mach‐ConeTriggerθM• Mach angle depends onspeed of sound inmedium• T dependent

Away-side

PNJL Model• Angle independent ofassociated pT.
Mikherjee, Mustafa, RayPhys. Rev. D75 (2007) 094015

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Azimuthal 3‐ParOcle CorrelaOons
near
near

MediumMediumaway
deflected jets
away
near
di-jets

Mediumaway
Conical Emission
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p+p 200 GeV (RHIC)
Background subtracted 3‐parOcle correlaOons Y3‐hat

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Au+Au 200 GeV (RHIC, STAR)
Background subtracted 3‐parOcle correlaOons Y3‐hat(π-1.38,π+1.38)(π+1.38,π+1.38)(π,π)(π-1.38,π-1.38)28(π+1.38,π-1.38)

Outline for subject•

Tools:–••

AliRoot, simulaOon ﬁles (ESD, AOD) for p+p and Pb+Pb.

Detectors: TPC, ITS…
Measured charged hadron correlaOons, one trigger parOcle and two associated parOcle(lower pT).
•••

Timeline:–––––•

Δφ1, Δφ2, η, for foreground and background.
Start from the simplest case, p+p, 2 parOcle correlaOons.

week‐1: Get familiar with AliRoot, ALICE oﬄine frame work, use CAF and batch job system.
week‐2: Reconstruct two parOcle correlaOons in p+p. Study on the BG.
week‐3: BG subtracOon in p+p, three parOcle correlaOons in p+p.
week‐4: Study on Pb+Pb simulaOon data (AMPT available?), results. PreparaOon for thepresentaOon.
week‐5: PresentaOon (and analysis note if it’s possible).

GOAL: Establish and develop the three parOcle analysis tool, and check with thesimulated p+p data, especially how to esOmate the background distribuOon. If Ome
permits, go to Pb+Pb simulated data (but it needs to study on v2, v4 subtracOons).

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(2‐e) IniOal temperature at LHC（担当：中條）Measurement of direct photon spectra using the internal conversion
method in Pb+Pb and p+p collisions at LHC‐ALICE‐ pT spectra of direct photon by internal conversion method (e+e‐ pair).
‐ From pT slope, one can extract the iniOal temperature of the maher.

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What can we expect in Heavy Ion
Collisions?
Turbide, Rapp, Gale, Phys. Rev. C 69 (014903), 2004

Direct photon:• Produced by the initial hard scatterings.
• No strong interaction, thus a clean signal.
• Sensitive to the initial state of the matter.
• Thermal photon radiation.
• From pT spectrum, initial temperature canbe deduced.

But…

•Huge back ground to measure thermal photons (only 10% of hadron BG).

•Window for thermal photons from QGP in this calculaOon (@ RHIC): pT = 1 ‐ 3 GeV/c31

A new Idea of thermal photon measurement
Use lepton pairs to measurevirtual γγπ0Two sources of virtual γ with verylow (invariant) mass:
1.

Background from Dalitz decay•
Kroll-Wada formula
2. Hard photon (signal) =thermal photon candidate=γ direct
γ incl .

excess over known
hadronic source

e-Daliz decay

e+e-Comptonq

γ * directγ * incl .

e+

γ*g

γ*qe+e- internal conversion
pair from hard scattering
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IniOal Temperature at RHIC

T0 = 370 MeV at RHIC?

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Invariant Mass DistribuOon of Dalitz Pairs
1 dNee2α=Nγ dmee
3π2
24me2
2me2
1mee
2
31−(1+)
F(m)
(1−)
ee
22mee
mee
mee
M2

Kroll-Wada formula(mass distribution of Dalitz decay
for pseudo-scalar meson, π0, η, η’)(1) Pure QED part(2) Form factor: F(3) Phase space factor

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e+e‐ invariant mass distribuOons (RHIC‐PHENIX)• Hadronic BG above cut‐oﬀ isreduced by 80%.
• p+p: consistent with BG at low
pT, but an (lihle) excess at highpT.
• Au+Au: excess for all pT.
Possible source of excess isinternal conversion of direct
photons.

π0 cut‐oﬀ (knee)

π0 cut‐oﬀ (knee)

35Outline for subject••(Maybe) only p+p data can be used due to the complexity of thisanalysis (and not yet measured baseline spectra in Pb+Pb at LHC).
Timeline– Week‐1: Get familiar with AliRoot, simulaOon ﬁles (p+p), ALICE oﬄine framework.
– Week‐2: Electron IdenOﬁcaOon study.
• S/B, eﬃciency, by using TRD, TPC.

– Week‐3: Make an invariant mass distribuOon of e+e‐ pairs.
• Check the known resonance peaks (φ, ω, J/ψ,...).
• Study on the conversion in the detector material, and how to remove them.
• Combinatorial BG.

– Week‐4: Extract direct photon.
••••

Make a inclusive photon spectra.
Make a raOo of direct photon and inclusive photon.
Comparison with NLO pQCD.
Prepare for the presentaOon.

RHIC‐PHENIX
200 GeV p+p, Au+Au– Week‐5: PresentaOon (and Analysis Note wriOng)•GOAL: Test of NLO pQCD in p+p.
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(3) PHENIX重イオン衝突データの解析（RCFのコンピュータアカウントが必要）(3‐a) Run‐7 データを用いたΦ・Λの測定（担当：江角）R. Tanabe (Tsukuba)- Root Tree 形式のSummary Data (DST)を使う- 衝突事象、粒子軌跡、粒子種の選別- 不変質量の計算による崩壊粒子の再構成- イベントミキシングによるランダムなBGの見積もり- 粒子横運動量分布、方位角異方性の計算- モンテカルロシミュレーションによる効率等の補正- 反応平面分解能の見積もり、補正

PHENIX検出器不変質量分布(Φ->KK)

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Run-2 Au+Au

Λの横運動量分布

Run-4 Au+Au

Φの方位角異方性(v2)Merits: ‐ High staOsOcs Run‐7 Au+Au data (x3 Run‐4 Au+Au)‐ New detectors for parOcle idenOﬁcaOon‐ ReacOon plane resoluOon improved with a new detector38(3‐b) Run‐7 データを用いたパイゼロ・光子の測定 （担当：金野）- Direct photo is a penetrating probe
for the initial hot and dense matter created in heavy ion collisions.
- There are several photon sources in heavy ion collisions (see left).

Phys. Rev., C69:014903(2004)

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- Reconstruct neutral pion via two-gamma decay- Calculate pT spectra, v2 for neutral pion, inclusive photon- Subtracting hadron decay photon from inclusive photon=> Calculate pT spectra, v2 for direct photon

Inclusive photon
Direct γπ0

典型的な解析手法。

3.0 < pT < 4.0

hadron decay γη ω η’

Merits: - High statistics Run-7 Au+Au data (x3 Run-4 Au+Au)- Reaction plane resolution improved with a new detector

さらに高いpTでの直接光子測定。
Elliptic flow
Run-4 Au+AuMiki, QM0840