熱光⼦測定の現状と今後
⼭⼝頼⼈
理研BNLセンター
Heavy Ion Café@⼤阪⼤2018年1⽉12⽇

概要
1. 直接光⼦、特に熱光⼦測定の重要性
2. 直接光⼦測定法
ü 低横運動量領域の光⼦測定
ü 各々の測定法の⻑所・短所
3. これまでに得られた実験結果
ü p+p, p+A, A+A from RHIC, LHC
ü 横運動量分布、v24. 議論
ü 実験結果の解釈直接光⼦• ハドロン崩壊でない過程で⽣成される単光⼦• ⽣成後、強い相互作⽤をせず衝突領域を通過(透過的プローブ)
ü 収量・横運動量分布に⽣成時の温度、⾃由度などを反映

Initial collision Glasma

QGP

Hard photon

熱光⼦

Mixed phase

Hadronization

ハドロン崩壊光⼦• 重イオン衝突の各ステージで⽣成*+ü 熱光⼦収量：𝑁" = ∫* 𝑅" ×𝑉𝑑𝑡, Rg: 光⼦⽣成レート,

熱光⼦測定• 実験データは前述の光⼦の重ね合わせ→ 各光⼦源の寄与の⼤きな横運動量領域に注⽬ü 低横運動量領域 (pT<3-4GeV/c)：熱光⼦測定
thermal: e- Eg /TDecay photons(p0→g+g, h→g+g, …)

1
hard: npT

• いかにハドロン崩壊光⼦(特にp0)を除去できるかが測定の鍵
ü BG光⼦のうち、p0~80-90%、h~10%弱ü 全光⼦収量からBG光⼦を引いた残り＝直接光⼦• p+p, p+Aでのベースライン測定の重要性
ü Low pTでのHard photon収量＆原⼦核効果

直接光⼦測定法

測定⽅法1：実光⼦測定• 電磁カロリメータ(EMCal)による最も標準的な光⼦測定法
PHENIX Run4 data
ü ⾼統計データが期待出来るü High pTでの直接光⼦測定に有⽤
Inclusive photon (@Low pT)
gdir0hp00.51• Low pTでは、
ü EMCalのエネルギー分解能の劣化
ü 荷電ハドロンの光⼦誤認確率⼤→ BG光⼦収量の不定性が直接光⼦信号レベルと同程度かそれ以上となり、測定が⾮常に難しい
ü S/Bの悪さが最⼤の問題

測定⽅法2：外部変換光⼦測定• 検出器マテリアルでの外部変換、𝛾 → 𝑒 0 𝑒 1 を利⽤• 実光⼦測定の問題点@Low pT
ü エネルギー分解能の劣化 → 𝑒 0 𝑒 1 により改善
ü 荷電ハドロンの光⼦誤認 → なし
→ BG光⼦収量決定精度の向上
ü 特にp0収量の不定性減少
ü 𝑀"4 5 4 6 でp0再構成し、統計的損失を最⼩に• 本質的にS/Bの悪さを克服したわけではないことに注意→ 直接光⼦信号レベルの⼤きいA+Aでは有利。でも、p+p & p+Aでは…

測定⽅法3：仮想光⼦測定• ⾼次プロセス(例えば𝑞𝑔 → 𝑞𝛾 ∗ → 𝑞𝑒 0 𝑒 1 )に着⽬
光⼦⽣成率と𝑒 0 𝑒 1 ⽣成率の関係：

qgg*e+e-q< ならばS(m )~1 → “quasi”-real photon@m =0
ü 𝑝;< ≫ 𝑚44eeee
ü p0寄与を𝑚44 > 𝑚@, で完全に除去→ S/Bの⼤幅な改善
PRL104,132301(2010)ü 悪い点：統計が厳しい

Inclusive photon (𝒎𝒆𝒆 > 𝒎𝝅𝟎 )

hgdir
gdir h0p00.51

各測定の⻑所・短所のまとめ
測定法
実光⼦
外部変換光⼦
仮想光⼦

統計◎
○××

S/B

特徴××

• High pT gdir測定に最適• Low pTでは厳しい×• 実光⼦測定のlow pT改良版• 信号の⼤きいA+Aで適⽤可• pT~0.5GeV/cまで到達◎• 信号の⼩さいp+p & p+Aでも有⽤• pT~1GeV/cまでが限界

実験結果

ベースライン：p+p & p+A結果• 仮想光⼦測定(pT<5GeV/c) & 実光⼦測定(pT>4GeV/c)
ü 𝑠FF =200GeVのみ
PRC87, 054907 (2013)• p+p : pQCDとconsistent• d+Au: RdA~1 → ⼩さな原⼦核効果• LHC＆低 𝑠FF でもp+p, p+A測定
d+Auは重要
ü LHC：原⼦核効果は？
ü 低 𝑠FF ：pQCD信頼できず
p+p

A+A結果 (pT分布)• 200GeV(PHENIX) & 2.76TeV(ALICE)で超過収量 → 熱光⼦？
ü PHENIX: 仮想光⼦＆外部変換光⼦− h/p0の改善: 0.48±0.03→0.45±0.01 for MBü ALICE : 外部変換光⼦＆実光⼦ (PHOS)• Centrality依存性も測定
PHYSICAL REVIEW C 91, 064904 (2015)

A. ADARE et al.

PLB754, 235 (2016)101

pp data

PRL 104, 132301
PRL 98, 012002
PRD 86, 072008
pp fit

100

1d2 N
−2
2π pT dpT dy [(GeV/c) ]

10−1

MB

Au+Au data

10−2

PRL 104, 132301
PRL 109, 152302
Present data
Ncoll -scaled pp fit

10−310−4√
sNN = 200 GeV

1d2 N
−2
2π pT dpT dy [(GeV/c) ]PRC91, 064904 (2015)(a)101(b)

100

Teff for 0-20%
ü RHIC: 239MeV
ü LHC : 297MeVAu+Au√
sNN = 200 GeV

10−110−210−310−410−5 0-20%(c)10110−5100

10−610−120-40%(d)Ncoll -scaled pp fit
2007, 201010−210−710−310−810−4PHENIX

10−90246ALICE

10−5 40-60%

810pT [GeV/c]

1214012360-92%
41234pT [GeV/c]

5

A+A結果 (FLOW)
contribution of systematic uncertainty of the v2 ,dir measurement.
pFigure 5 shows the first measurement of v2 ,dir in 0–40 % Pb-Pb collisions at sNN = 2.76 TeV.

• v2,v3も測定に成功 (RHIC & LHC)
ü 光⼦⽣成時間に敏感
4. Summary and Conclusions
The results provide evidence for a non-zero v
for 1 < p < 3 GeV/c with a magnitude
ü 光⼦⽣成プロセスにも感度
similar to the observed charged pion v[11]. Similar results were reported by the PHENIX• ハドロンv2,3とconsistent(⼤きさ＆centrality依存性)
collaboration [12]. Recent hydrodynamical calculations [8, 9] include a substantial portion ofthermal photons from the hot plasma phase and also a sizable fraction from other sources inü v3~v2/2 order to describe the observed direct-photon spectra. However, the emission from early stages ofsystem evolution yields a small v
compared to hadrons. Thus, the observed large v
ü 臨界温度Tcthe付近で⽣成された光⼦が⽀配的か？
might lend support for a significant emission from late stages of the system evolution where the,dir2⇡±
2T,dir,dir22hadron flow has built up.

PHYSICAL REVIEW C 94, 064901 (2016)
PRC94, 064901 (2016)
J.Phys.Conf.Ser. 446, 012028 (2013)

THALLY ANISOTROPIC EMISSION OF LOW- . . .

v2

0.3

0.2(a) 0-20%
Direct photon vnConversion method
Calorimeter method(b) 20-40%
PHENIX 2007 and 2010
Au+Au 200 GeV(c) 40-60%(d) 0-20%(e) 20-40%(f) 40-60%

0.10.15v30.10.05

ALICE0012PHENIX

340123401234p (GeV/c)
T

6. Direct photon v2 and v3 at midrapidity (|η| < 0.35), for different centralities, measured with the,inc
conversion method (solid circles,,dirその他の結果(Cu+Cu, 𝒔𝑵𝑵 =39, 62.4GeV)
1Direct photonsAexp(-p T / T eff ) + power-law fit
T AA-scaled pp fit

10-1d2N [(GeV/c)-2]12πp T dp T dy

• 異なるシステムサイズ：Cu+Cu 200GeVü 仮想光⼦測定ü ⼩さいNpart領域をカバー• 低い衝突エネルギー：Au+Au 39, 62.4GeV
ü 外部変換光⼦測定
ü 光⼦収量＆pT分布の傾き(Teff)の衝突エネ
ルギー依存性Cu+Cu → γ + X, |y|<0.35
sNN = 200 GeV, 0 - 94%

T eff = 288±49(stat)±50(syst) MeV-2PHENIX
Cu+Cu

1010-310-410-5

PH ENIX

preliminary

10-6012345

preliminary

1/2π p d2N/dp dy [(Gev/c)-2]

PH ENIX

10Au+Au → γ + X, |y|<0.350-86%,

sNN = 62.4 GeVFit ∝ Exp[-p /T eff ]T

1

Teff = 0.211 ± 0.024 ± 0.044 GeV

PH ENIX

10

preliminary

0-86%,

sNN = 39 GeV
T

Teff = 0.177 ± 0.031 ± 0.068 GeV

10-1

TT

10-1

Au+Au → γ + X, |y|<0.35

Fit ∝ Exp[-p /T eff ]

1

T

T

1/2π p d2N/dp dy [(Gev/c)-2]

p T [GeV/c]

10-2

10-2
10-3

PHENIX𝒔𝑵𝑵 =62.4GeV

10-3
10-4
00.5

11.5

PHENIX𝒔𝑵𝑵 =39GeV

10-422.5

3p [GeV/c]
T

10-5

00.5

11.522.5

3p [GeV/c]
T低横運動量直接光⼦実験結果まとめ
𝒔𝑵𝑵(GeV)

衝突核種測定法

v2,3Centrality

2760

Pb+Pb

実光⼦、外部変換光⼦

v2のみ

○

Au+Au

仮想光⼦、外部変換光⼦

○

○

Cu+Cu

仮想光⼦

×○d+Au仮想光⼦-MBp+p

仮想光⼦

--

62.4

Au+Au

外部変換光⼦

×

○

39

Au+Au

外部変換光⼦×MB2002018.1.12現在、preliminary resultsも含む

議論

T0 & t0• モデル計算と⽐較(2010年当時)
ü 時空発展、Blue-shiftを考慮
ü QGP+HGの熱放射の積分
DETAILED
OF THE e e PAIR . . .
PHYSICAL REVIEW C 81, 034911 (2010)
ü MEASUREMENT
T0&t0に⼤きな不定性→ pT分布だけでは決定できず+ −10

DATA 0-20%PRC81, 034911(2010)
D. d'Enterria & D. Peressounko

700

S. Rasanen et al.
D.K. Srivastava et al.

D. d’Enterria & D. Peressounko: T0 = 590 MeV, τ 0 = 0.15 fm/c

1600

S. Rasanen et al.: T0 = 580 MeV, τ 0 = 0.17 fm/c
D. K. Srivastava: T0 = 450-600 MeV, τ 0 = 0.2 fm/c

T init (MeV)

S. Turbide et al.: T0 = 370 MeV, τ 0 = 0.33 fm/c
F. M. Liu et al.: T0 = 370 MeV, τ 0 = 0.6 fm/c + LO pQCD-110J. Alam et al.: T0 = 300 MeV, τ 0 = 0.5 fm/c
W. Vogelsang: Prompt γ NLO pQCD × TAA(0-20%)

S. Turbide et al.
F. Liu et al.

500

J. Alam et al.

400
300-2

10200

3E d N/dp (c /GeV2)

800
Thermal Photons in Au+Au at sNN = 200 GeV

3100-310

30010-4-5-60.2

0.3
0.4
τ 0 (fm/c)

0.5

0.6

0.7

FIG. 48. (Color online) Tinit vs. τ0 for various theoretical calculations shown in Fig. 47. D. d’Enterria and D. Peressounko [95],S. Rasanen et al. [96], D. K. Srivastava et al. [97], Turbide et al. [98],F. Liu et al. [99], and J. Alam et al. [100].

1010 00.1

1234p (GeV/c)
T567

D. pT spectra in the low-mass region

The pT spectra of the excess (i.e., after subtracting thehadron cocktail and the charm from the dilepton spectra) canDirectPHOTON
photonv2 puzzle
DIRECTPUZZLE

Difficult for thelarge low pT yie

FireballSemi-QGP
w.o viscousPHSD

Each theory curve hasvn is the weighted• ⼤きな収量＆⼤きなvを同時に再現できない
2multiple contributingaverage of source vn’s
→ 既存の枠組み(熱放射fromQGP&HG)では不⼗分
direct photonsourcesü 新たな光⼦源の導⼊の必要性Need a large amount of photon pro
1. 前熱平衡状態からの放射 late in the collision after the anispressureSarah
gradients
have develo
2. 臨界温度付近での新しい光⼦⽣成
Feb. 10, 2017Campbell

Teff :𝑺𝑵𝑵 DEPENDENCE

T (MeV/c)• 指数関数フィットのスロープ：Teff ≠ ⽣成物質の平均温度
ü Radial flowによるBlue-shift → Teff > Ttrue
350

PHENIX
39GeV
0-86%

300

250

PHENIX
200GeV
0-20%

200

PHENIX
62.4GeV
0-20%

150

100

50

ALICE
2.76TeV0-20%

10102103sNN (GeV)

b-CORRECTED Teff :𝑺𝑵𝑵 DEPENDENCE

T (MeV/c)• Radial flow(𝛽)補正：𝑇4MM = 𝑇NOP4 1 + 𝛽⁄1 − 𝛽
ü 𝛽はp, K, pの測定結果にBlast-wave fitで算出したもの
350300●: b補正前◯: b補正後

250

200

150

1005010102103sNN (GeV)• Ttrue~150MeV(~Tc) & 弱い 𝑠FF 依存性→ Tc近傍からの⼤きな寄与？ハドロン化で⽣成される光⼦？

Thad測定の可能性

統計モデルで決まる温度は衝突系によらず約170 MeV• Thad：クロスオーバー転移なので、Tcでなくハドロン化温度とします• ハドロン収量の熱的統計モデル
フィットでThadの導出ü Thad~170MeV(≈ Tc)
pp-pp collisions
ü ee衝突でも同じT
hade e collisions→ フィットで得られるThadは本当√ s (GeV)に温度なのか？
γs

ハドロン収量の熱的統計モデ
ルフィットで得られる温度

F. Becattini, arXiv:9701275, J. Phys. G 23 (1997) 193310.90.80.70.60.5–0.4+ -0.30.2

102103

ストレンジネス抑制量=0.7-0.8
Figure 9:

SPSの重イオン衝突と同程度

直接光⼦によるThad測定 19• 仮定：Tc近傍=ハドロン化が起こる温度でできた光⼦が⽀配的ü 初期温度に感度なし ⇔ Thadに感度あり• Npart& 𝑠FF 依存性 ≈ Volume依存性
ü ⼩さいNpart, 𝑠FF 領域では光⼦@Thadの割合が多いのでは？
ü 収量＆Teffが異なるThadでどう変わるのか？
28

光⼦収量のMULTIPLICITY依存性
Cu+Cu 200 GeV (PHENIX) added

200GeVのみ• pT>1GeV/cの直接光⼦収量@𝑠FF =200GeV
V. Khachatryan CPOD 1718
ü A(dNch/dh)a fit: a=1.196
Khachatryan
CPOD/dhで単調増加
17
ü dN→ より熱い＆⼤きいQGP⽣成chü a=1.196からQGPの何がわかるのか？

4.

光⼦収量のMULTIPLICITY依存性
Add a fit to A+A systems

全てのHI結果• pT>1GeV/cの直接光⼦収量
V. Khachatryan CPOD 1721
ü 𝑠FF =2.76TeV, 62.4, 39GeVも同じスケーリング
ü 同じdNch/dhでも 𝑠FF が違えばQGP初期条件が違う→ QGP初期条件の影響は⼩さい？

4.

光⼦収量のMULTIPLICITY依存性
Add a fit to small systems• pT>1GeV/cの直接光⼦収量
V. Khachatryan CPOD 1723
ü p+p, p+AはA+Aのスケーリングからずれる
ü A+Aでは熱光⼦を⾒ていると考えると妥当

4.

光⼦収量のMULTIPLICITY依存性
Au+Au 200 GeV (STAR) added• pT>1GeV/cの直接光⼦収量
ü STARの結果(仮想光⼦測定)は他のHI結果からずれている

光⼦収量のMULTIPLICITY依存性

The yield for various systems integrated from 5.0 GeV/c to 8.0 GeV/c• pT>5GeV/cの直接光⼦収量
V. Khachatryan CPOD 17
ü pT27>1GeV/cとは違い、𝑠FF で異なるスケーリング
ü p+p, p+Aも同⼀直線上にある
ü a=1.233 ~ 1.196(pT>1GeV/cのHIフィット)

4.

まとめ
• 熱光⼦測定はQGP温度、⾃由度などを知るのに不可⽋ü 主に低横運動量直接光⼦• 3つの測定法の確⽴
ü それぞれに⻑所と短所あり• 異なる衝突エネルギー、システムサイズで光⼦収量、v2の測定に成功
ü 結果の解釈に議論の余地が⼤いにある− Thad測定の可能性は？
− dNch/dh依存性の解釈は？
− より良い指標は他にないのか？
ü 特に200GeVデータはp+p, p+Aベースライン・Centrality
依存性もあるので、もっと活発な議論があると良い