光子は見えるのか？

熱直接

Hisayuki Torii, Hiroshima Univ.
2007/12/21
Heavy Ion Pub @ 阪大目次
 光子プローブに期待すること 直接光子の測定方法
 光子をプローブとしたＱＧＰ研究からこれまで何を学んだのか？
 LHCにおける光子測定
 まとめ注意）検出器の話はほとんど出てこないので最後まで聞いてね2007/12/21 Heavy Ion Pub2

概要

まずは、非重イオンハドロン衝突(陽子-陽子など)からの直接光子(QCD光子)生成について簡単にまとめます。次に、重イオン衝突におけるクォークグルーオンプラズマの物理を進めるにあたり、直接光子がどのような役割を果たしていくと期待されているのか、を出来るだけ分かりやすく説明したいと思います。その上で、SPS,RHICにおけるこれまでの結果を用いて実験並びに理論的側面から何が分かったのか、何が分かっていないのかについて、多少個人的な見解も交えながら議論をしていきたいと考えております。このトークの主題であるLHCにおける光子プローブについて、その実験的可能性について報告すると共に、幾つかの理論予想について紹介していきたいと思います。
 ここでは、特に若手の皆さんに興味を持っていただけるように、基本的な知識ならびに議論から進めて行く計画です。その中で、特に理論の皆様に、直接光子を測定する上での実験手法や苦労について雰囲気が伝われば幸いです。さらに、このトークを通して、QGP研究での実験ー理論間の相互協力の重要性について理解を求めると共に、我々としてどういう研究協力が可能か、という議論へ向けてのスタートラインを提供できれば、と考えております。
3
2007/12/21 Heavy Ion Pub
光子プローブに期待すること

Photons from Multi Stage
Hadronization(Freeze-out) +Expansion

Mixed phase

ThermalizationPre-equilibrium
QGP phase?

Thermal Photon

Jet+Medium

Prompt Photon

Thermal Photon (QGP)
Thermal Photon (HG)

Jet-Photon Conversion
Jet-Bremsstrahlung (QGP)

Compton/Annihillation
Fragmentation

2007/12/21 Heavy Ion Pub5

Schematic Spectrum in A+A
Decay photons

thermal:e− E γ /Thard:

1pTn

Thermal Photon

Jet+Medium

Prompt Photon

Thermal Photon (QGP)
Thermal Photon (HG)

Jet-Photon Conversion
Jet-Bremsstrahlung (QGP)

Compton/Annihillation
Fragmentation+ Decay photon as huge background
Thedecay
2007/12/21
HeavyIon Pubphoton background strongly reduced due to jet suppression in A+A6

Schematic Spectrum in A+A
ComptonJe Conversion
tFragmentation

Fries et.al.PRL90(2003)132301

Thermal Photon

Jet+Medium

Prompt Photon

Thermal Photon (QGP)
Thermal Photon (HG)

Jet-Photon Conversion
Jet-Bremsstrahlung (QGP)

Compton/Annihillation
Fragmentation

pTγ ~ Tmedium~ 1 GeV (QGP)~ 200 MeV (HG)

pTγ ~ pTq (Conversion)

2007/12/21 Heavy Ion Pub< pTq (Brems)

pTγ ~ ΛQCD
Tmedium ~ 1 GeV (QGP)

7

直接光子測定から分かること
Compton(QGP,HG)の温度

Je ConversiontMediumのエネ

パートン分布& Ncoll Scalingのチェック

ルギー密度（でいいのかしら？）

Fragmentation

ジェットクエンチによりなくなる？

Fries et.al.PRL90(2003)132301

Thermal Photon

Jet+Medium

Prompt Photon

Thermal Photon (QGP)
Thermal Photon (HG)

Jet-Photon Conversion
Jet-Bremsstrahlung (QGP)

Compton/Annihillation
Fragmentation

pTγ ~ Tmedium~ 1 GeV (QGP)~ 200 MeV (HG)

pTγ ~ pTq (Conversion)

2007/12/21 Heavy Ion Pub< pTq (Brems)

pTγ ~ ΛQCD
Tmedium ~ 1 GeV (QGP)8

直接光子測定から分かること
Compton(QGP,HG)の温度

Je ConversiontMediumのエネ

パートン分布& Ncoll Scalingのチェック

ルギー密度（でいいのかしら？）

Fragmentation

ジェットクエンチによりなくなる？

直接光子はQGP研究の宝石箱や！

2007/12/21 Heavy Ion Pub

9直接光子の測定方法

直接光子測定は難しい？
後々のためにxTの定義だけ
PHENIX run2 data

xT = pT/(√s/2)
NLO pQCD(CTEQ6M, KKP FF)

直接光子の主なバックグラン
ド : π0
Low pT < 20GeV/cの領域で、π0の生成量が大きい。
1/20 @5GeV/c Î 実際には、 π0Æγγ崩壊のため、1/5-1/10程度しか直接光子は生成されない。


主に低いエネルギー領域にて実験的な困難を生じる。

0.05
2007/12/21 Heavy Ion Pub

0.1

0.15

0.2

xT = pT/(√s/2)11直接光子測定方法
 直接測定統計的手法①バックグランドを全部差し引くConverterやDouble Ratioを使った実験的な工夫あり。Î次ページへ

非統計的手法②光子毎に直接光子かどうかの判断をする
Isolation Cut

Î３ページ先へ

ハイブリッド手法③光子毎にπ0（やη）崩壊からきた光子でない判断をする。
他のバックグランドは統計的手法で差し引く。 Î4ページ先へ
 間接測定④インターナルコンバージョン法Î5ページ先へ
2007/12/21 Heavy Ion Pub

12①測定方法 – 直接測定、統計的手法
Direct Process

バックグランド
衝突点以外からの光子

ph

中性・荷電ハドロンが光子に見えてしまう
oton

検出器のノイズ

Fragmentation Process

ハドロン(π0,η,ω等)崩壊から来る光子

bremsstrahlung radiation

photon

実験的に同定することは不可能

pho
ton

すべてのバックグランドを特定すべてのバックグランドを差し引いた残りを直接光子生成の信号とする
2007/12/21 Heavy Ion Pub

13①測定方法 – 直接測定、統計的手法
 実験的な工夫⎛ γ decay ⎞⎟ × γ allγ direct = γ all − γ decay = ⎜⎜1 −⎟γall ⎠⎝(= 1− 1)×γRall⎛ γ all⎞⎜0⎟π ⎠ meas⎝with R =⎛ γ decay⎞⎜0⎟π ⎠ sim⎝

Systematic Errors partially cancel
2007/12/21 Heavy Ion Pub14

②測定方法 – 直接測定、非統計的手法(1)Signal(direct)(2)Signal(fragmentation)(3)Background(hadron decay)

compton + annihilation

ton

イメージ

pho

pho

ton

実験系での

hadron約10%@10GeV

約60%@10GeV

jet
約30%@10GeV

2007/12/21 Heavy Ion Pub

EγIsolation cut toreduce background E ( R < 0.5) < E × 0.1
sumγ

RR = Δη 2 + Δφ 2 < 0.515

③測定方法 – 直接測定、ハイブリッド
検出器のアクセプタンス

光子を検出した際にπ直接光子測定用の領域π0崩壊からの光子であれば、0から来たものかどうか？
もう片方の光子が周りにいる。

ターゲットとなる光子と周りのすべてとの組み合わせを取ることにより、π0中間子からのバッググランドの寄与を差し引くことができる。
Î 約70%のπ0崩壊からの光子を同定することが可能
2007/12/21 Heavy Ion Pub

16

④測定方法 – 間接測定
Any source of real photons
emits virtual photons withsmall invariant mass The distribution of the virtualphoton mass depends on theemitting source Phase space at higher inv.
masses limited for virtualphotons from hadron decays
 Signal/background for virtual
direct photons significantly
improves with increasing mass

2007/12/21 Heavy Ion Pub

Different
invariant mass
distribution

17④測定方法 – 間接測定
1 dN ee
2α=3πN γ dm ee

224 m e22 m e2
1m ee21−)3)
F ( m ee ) ( 1 −(1 +222Mm ee m eem ee

Kroll-Wada Formulaphase space factor 1 for high pT γ
qg
2007/12/21 Heavy Ion Pube+e-γ∗

200-300

Compton140-200

90-140

0-30



any source of real photons
produces virtual photons with very
low invariant mass
Ratios of Minv bins to lowest one(Rdata)If no direct photons: the ratios
become exactly what can becalculated from Dalitz decay
formulae above
If excess over calculation: directphotons

Rdata÷
÷÷q18

光子をプローブとしたＱＧＰ研究からこれまで何を学んだのか？

History of p+p/pbarÆγ

過去の実験、陽子陽子、陽子反陽子衝突実験との比較。
ほとんど何かしらのisolation cut が入っている。

クロスセクションは√sとともに大きくなっている。

Systematic errors are not shown

yar
in
imel
Pr

yarin
imel
Pr
陽子-陽子衝突2007/12/21 Heavy Ion Pub

陽子-反陽子衝突20

xTスケーリング則xT = pT/(√s/2)
QCD理論によると、以下の仮定
PDFとFFのQ2スケーリング
Coupling constant(αs)がQ2に非依存。

( s ) × F (x )Tn=定数。xT=2pT/√s
相互作用項と構造を表す項に分離

ÎxTスケーリング

yarin
imelPrσ=−n定数nに対する予想
Leading order n=4
 Next-to-leading order: n=4+α

xTスケーリング則n=5付近で成立
陽子反陽子衝突でも同様のスケーリング則が得られたことは、低いxTの領域でクォークと反クォーク分布が似ているためではないかと推測される。
2007/12/21 Heavy Ion Pub21

Prompt Photon in p+p/pbar
Photon is penetrating probe since it’s lower cross section
with matter

NPA783(2007)395,P.Aurenche

直接光子はパートン構造を知る上で良いプローブであると、誰もがいうけど、CTEQ他のパートン分布決定に入力として入っていないのも事実。
2007/12/21 Heavy Ion Pub

22

QGP探索の歴史
 Bevalac @LBNL

p=0.8 GeV/A, √sNN=1.8 GeV
 E802/859/866 @AGS-BNL

p=14.6 GeV/A, √sNN=5.4 GeV
 NA44/WA98 @SPS-CERN

p=160 GeV/A, √sNN=17 GeV
 PHENIX @RHIC-BNL

p=100+100 GeV/A, √sNN=200 GeV
 ALICE @LHC-CERN

p=2750+2750GeV/A, √sNN=5500 GeV
2007/12/21 Heavy Ion Pub

23

CERN-SPS-WA98: Pb+Pb √sNN=17 GeVSrivastava and Sinha nucl-th/0006018

Hydro calculations :Prompt + QGP Æ Mixed phase Æ HG

Prompt Photonだけでは説明できないEnhancementあり

QGPシナリオとconsistent24

BNL-RHIC-PHENIX: Au+Au √sNN=200 GeV
PHENIX

p+p衝突の重ね合わせで記述できる。
2007/12/21 Heavy Ion Pub

25

BNL-RHIC-PHENIX: Prompt Photon
Au+Au minimum bias

gq ->γq is main contribution

100 xT

x=0.1から0.2にかけて20％の減少がみられた
Î 次のページへ
2007/12/21 Heavy Ion Pub

26

BNL-RHIC-PHENIX: Prompt Photon

 pQCD Photon = Direct Photon + Fragmentation
PRL98(2007)012002, PHENIX

calculation by W. Vogelsang

directpp+Isolation cutにより直接光子の収量が減る。
Fragmentation + Underlying Eventにより説明可能
Fragmentation

Hep-ph/0601075, by F.Arleo

Au+Au

Arleo JHEP 0609 (2006) 015

At RHIC energy, the fragmentation
contribution is not negligible, ~30%
at 10GeV/c photon.

2007/12/21 Heavy Ion Pub

Isospin effect + Fragmentation
Quenching is consistent with data27

BNL-RHIC-PHENIX: Thermal Photon

NLO pQCD
L.E. Gordon, W. Vogelsang
Phys. Rev. D48, 3136 (1993)

A particular thermal Model
2+1 hydro, τ0=0.15 fm/c
T0ave=360 MeV(T0max=570 MeV)
D. d’Enterria, D. Peressounko
nucl-th/0503054

The data are consistent withthermal + pQCD
pQCD questionable down to low pT2007/12/21 Heavy Ion Pub

needs confirmation from analysis of
p+p data28

BNL-RHIC-PHENIX: Jet-Medium
Interaction of hardscattered parton withdense matter.
Compton scattering (jetphoton conv.)


R.J. Fries, Phys.Rev. C72(2005) 041902
Over estimation at high-pT

S. Turbide, Phys.Rev. C72(2005) 014906
Reproduce data well

Bremsstrahlung

B.G. Zakharov, JETP Lett. 80(2004) 1

もう少し理解が必要

All
NLO-pQCD
Jet-photon
QGP-Thermal

Jet-quenching effect for fragmentation photons are
2007/12/21 Heavy Ion Pubestimated with AMY formalism.

29

で、何を学んだの？
ComptonJe Conversion
tFragmentation

Fries et.al.PRL90(2003)132301

Thermal Photon

Jet+Medium

Prompt Photon

Thermal Photon (QGP)
Thermal Photon (HG)

Jet-Photon Conversion
Jet-Bremsstrahlung (QGP)

Compton/Annihillation
Fragmentation

pTγ ~ Tmedium~ 1 GeV (QGP)~ 200 MeV (HG)

pTγ ~ pTq (Conversion)

2007/12/21 Heavy Ion Pub< pTq (Brems)

pTγ ~ ΛQCD
Tmedium ~ 1 GeV (QGP)30

で、何を学んだの？
Compton

直接法では実験の系統誤差が大きすぎる。
温度は理論計算依存性が大きい。

Je Conversion
存在しているかt

パートン分布& Ncoll Scalingのチェックができた。

どうかわからん他(Thermal+Prompt)だ
けでも説明できちゃう。

Fragmentation

ジェットクエンチにより無くなったかど
うかまだ分からんFries et.al.PRL90(2003)132301

Thermal Photon

Jet+Medium

Prompt Photon

Thermal Photon (QGP)
Thermal Photon (HG)

Jet-Photon Conversion
Jet-Bremsstrahlung (QGP)

Compton/Annihillation
Fragmentation

pTγ ~ Tmedium~ 1 GeV (QGP)~ 200 MeV (HG)

pTγ ~ pTq (Conversion)

2007/12/21 Heavy Ion Pub< pTq (Brems)

pTγ ~ ΛQCD
Tmedium ~ 1 GeV (QGP)31

で、何を学んだの？
Compton

直接法では実験の系統誤差が大きすぎる。
温度は理論計算依存性が大きい。

Je Conversion
存在しているかt

パートン分布& Ncoll Scalingのチェックができた。

どうかわからん他(Thermal+Prompt)だ
けでも説明できちゃう。

Fragmentation

ジェットクエンチにより無くなったかど
うかまだ分からん=====
直接光子はQGP研究の宝石箱や！
天気図
2007/12/21 Heavy Ion Pub

32

LHCにおける光子生成Realistic Prediction for LHC (1)Turbide, Rapp, Gale, Phys. Rev. C 69 (014903), 2004

PRC72(2005)014906 S.Turbide, C.Gale, S.Jeon, G.D.Moore

One of predictions

Thermal Photon from HG: <1GeV/c
Thermal Photon from QGP: 1-5Gev/c
Jet + Hot Matter : 5-15GeV/c
Prompt Photon : >15GeV/c

1-15GeV/c Photon caused from Hot Matter = QGP
2007/12/21 Heavy Ion Pub

Wider and Higher energy range than that at RHIC energy

34

Realistic Prediction for LHC (2)nucl-th 0707.2357

Initial conditions of hydro corresponds to dNhadr/dy~2000=> scale properly decay photon yield from slide 1

One of predictions

Thermal Photon from HG: <0GeV/c
Thermal Photon from QGP: 0-4Gev/c
Prompt Photon : >4GeV/c<4GeV/c Photon caused from Hot Matter = QGP
2007/12/21 Heavy Ion Pub

35Realistic Prediction for LHC (3)Hep-ph/0311131

1-10GeV/c Photon caused from Hot Matter = QGP
2007/12/21 Heavy Ion Pub36

理論予想値と予想系統誤差

もしJet Quenchingが起こったならば、pT>3GeVの領域にて系統誤差よりも優位な信号が見えるはず。
2007/12/21 Heavy Ion Pub

37

Good News for LHC
Suppression of Prompt Photon?

70% suppression
Hep-ph/0707,2320, by F.Arleo

もし、Prompt PhotonのうちFragmentationの項がJetQuenching効果により減衰するかもしれない。
This is a good news for LHC energy.
2007/12/21 Heavy Ion Pub

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将来計画
2008年

インストールLHC Close in 08/May

2007年

2009年

2010年

2011年

2012年

2013年

14TeV p+p5.5TeV Pb+Pb 5.5TeV Pb+Pb

建設

1/20 luminosity Designed luminosity (1027)(5x1025)

調整

第二,三モジュール
建設 調整
第四、五モジュール2007/12/21 Heavy Ion Pub

建設 調整p+Pb

5.5TeV Pb+Pb
full luminosity runまでに全モジュール完成予定

39

Y.Enyoさんのトラペをおかりして

LHC
RHIC quark-matter

multiquarks
tetrabaryonpenta

many-bodymeson

few-body
2007/12/21 Heavy Ion Pub

40

LHCにおける熱光子測定にむけて
 LHCにおいて有利な点

温度が高い Æ Thermal Photonが見えやすくなる。
 一方、その解釈となると、Prompt Photon: p+p測定やpQCD計算が必要
Thermal Photon: Hydro計算が必要
 熱光子であるという実験的証拠はどこにある？

Inclusive測定だけでは限界があるのでは？Photon-jet イベ
ントをタグして、prompt photonを積極的に落としていく必要があるのでは？NLO-pQCDイベントジェネレータを探し中。
Jet-Medium散乱からくる直接光子付近にはどういう粒子生成があるのか？
 Hydro Event Generatorってのは無理なのかしら？
2007/12/21 Heavy Ion Pub41

おしまい
ご静聴ならびにたくさんの質問、議論
ありがとうございました。

2007/12/21 Heavy Ion Pub42