高エネルギー重イオン衝突で探る
ビックバン直後の宇宙

中條 達也（筑波大学）
筑波大学・物理学セミナー��2010年11月10日

1Contents�
1. イントロダクション– “ビックバン” と ”リトルバン”– 高エネルギー宇宙線、粒子多重生成現象– 高エネルギー重イオン実験

2. RHIC実験のハイライト (2000-)
3. LHC-ALICE実験、始動 (2009-)
4. 今後の展望

2

1. イントロダクション

3

Wilkinson Microwave Anisotropy Probe(WMAP, 2001-2010)• 宇宙背景放射�(CMB) の温度測定������T = 2.725 K�（ビックバン熱放射の名残）• WMAP 実験（宇宙組成と宇宙年齢）
温度揺らぎ→宇宙年齢 137億年

Credit: NASA, WMAP

4

ビックバン宇宙論（WMAPがみる宇宙、宇宙の晴れ上がり)�

5

宇宙温度の変遷

折戸学, 梶野敏貴、
小特集「ビックバン元素合成と宇宙論」
プラズマ・核融合学会誌 79, 855 (2003) より.

6

素朴な疑問（動機）�
• 物質の温度をどんどん上げてゆくと、ビックバン直後の様な状態を、人工的につくりだせるのであろうか？
• どのように？
• どこまで高温／高密度に？
• 相転移現象は見つかるのか？�

7

背景；その１高エネルギー宇宙線の観測• JACEE:Japanese American Cooperative
Emulsion Experiment‒ 原子核乾板による高エネルギー原子核衝突の観測8•

http://www.ies.or.jp/japanese/mini/houshasen_img/utyusen.gif�
9

平均横運動量ε > 1 GeV/fm3 での<pT> の急激な増加！

JACEE: PRD 57 (1986) 3249

エネルギー密度10

背景；その２宇宙線による多粒子発生現象（原子核衝突）�

固定標的；
衝突エネルギー5 TeV/核子の原子核衝突イベント

2009.11.11 Heavy Ion Café, 松井氏のスライドより

11背景；その２宇宙線による多粒子発生現象（原子核衝突）�
固定標的；
衝突エネルギー5 TeV/核子の原子核衝突イベント

2009.11.11 Heavy Ion Café, 松井氏のスライドより

12

１９５０年代→１９８０年代• E. Fermi （熱平衡の概念, 1950）• L.D. Landau (流体的膨張描像, 1953 )• J. Bjorken（粒子多重生成、粒子描像によるエネルギー密度の定式化, 1983）

E. Fermi

L.D. Landau

J. Bjorken

13重イオン加速器発展の歴史
筑波大(2005-,RHIC, LHC)�

(GeV)�
ポスドク(2000-2005, RHIC)�

1000
100�
大学院生

10�

(1995-2000,AGS, SPS)�

1�
1970

1980

1990

2000

2010

2020�

2009.11.11 Heavy Ion Café, 浜垣氏のスライドより

14

QED（量子電磁気学） と QCD（量子色力学）• QED (アーベリアン):– 光子：電磁力の媒介粒子、電荷なし– フラックスの閉じ込めなし ⇒ 1/r ポテンシャル ⇒ 1/r2 の力• QCD (非アーベリアン):– グルーオン：強い力の媒介粒子、色電荷を持つ (赤, 緑, 青) ⊗ (反赤,反緑, 反青)– フラックスチューブを形成 ⇒ ~ r ポテンシャル ⇒ 一定の力

force

– クォークの（ハドロン内部）での閉じ込め

1/r2	++…

force

distance	

distance	

15強い相互作用の理論（QCD）における漸近的自由性の発見

16

クォークの閉じ込めをやぶり、クォーク・グルーオンのプラズマ状態を人工的に作るれるのか？
Pressure

Heat

QGP

17

クォーク・グルーオンプラズマ(QGP)とは？
Lattice QCD Calculations
F. Karsch, Lect. Notes Phys. 583 (2002) 209.

理想ステファン・ボルツマン方程式（エネルギー密度 ε と温度 Tの関係）

QGP 相での自由度
8 グルーオン, 2 スピン;
2 クォークフレーバ (u,d) と反クォーク,2 スピン, 3 カラー

g = 37! (u,d クォークのみの場合)ハドロン相での自由度
スピン0 のπ+, π-, π0中間子が３つで
g = 2J+1 = 3*通常の原子核のエネルギー密度： ε = 0.2 GeV/fm3	

QCD相転移により、通常の原子核の少なくとも１０倍以上	のエネルギー密度が生成可能	

Lattice QCDの予言: T ~ 170 MeV	 18c

水の相図

http://www.colorado.edu/physics/phys4230/phys4230_sp03/mainPage5.html	

19Temperature

QCD物質（ハドロン）の相図

Tc~170 MeV• QGP in Astrophysics

Relativistic
Heavy Ion
Collisions

Criticalpoint

Quark Gluon Plasma– Early universe:
time < 10-6 seconds– Possibly in the interiorof neutron stars

Early UniverseHadron Gasnuclei

Color superconductor
Color-flavor
locking
Neutron Stars?

Baryon Density• QGP in Nuclear Physics–Create at the lab. by heavy ion collisions–Study the nature of QCD matterat the extreme temperature and energy density20相対論的な速度で動く原子核 (金の場合）

2R ~ 14 fm

静止系

2R/γ ~ 0.13 fm

ブーストしている系v
1
β= , γ=c1− β 22122

高エネルギー原子核衝突はダイナミカル！
（衝突系の時空発展）（1）衝突前��（2）衝突直後��（3）パートン散乱���（4）熱平衡、QGP生成�（5）ハドロン生成����（6）膨張とともに終状態へ������

時間

23

高エネルギー重イオン衝突の時空発展

4321

高い運動量移行をともなう
パートン散乱2. 熱平行状態とQGP生成
3. 化学的粒子凍結(非弾性散乱が終わり、粒子比が固定)
4. 運動学的粒子凍結(弾性散乱が終る)
1.

24

2. RHIC実験のハイライト（2000- 現在）

25

RHIC：相対論的重イオン衝突型加速器

RHIC Basics:
RHIC = Relativistic Heavy Ion Collider• 2 counter-circulating rings–3.8 km circumference–1740 super conducting magnets• Collides any nucleus on any other• Top energies: 200 GeV Au-Au
500 GeV polarized p-p
Flexible machine:
Species (p+p, d+Au, Cu+Cu, Au+Au)
Energies (19, 22.5, 62.4, 130, 200 GeV)
• 4 Experiments

26

27

Display Event in PHENIX and STAR金原子核の正面衝突において、約６０００個の粒子が生成される！
28

PHENIX Experiment

29

30

２０００年６月１２日	

June 12, 2000 @ PHENIXFirst collisions at √sNN = 56 GeV Au+Au

31

RHIC 実験前の理論予測(2000年より前)

QPG生成のシグナルとして、様々な観測量が提唱された。
しかしその後、これらの多くの予言が正しくないことが判明することになる。

c.f.) PHENIX 実験

Conceptual Design Report

32

33

横方向のダイナミックス
Q.いかに衝突系の内部までプローブできるか？
ppT

θ

A. パートン同士の高い横運動量移行をともなう「ハード散乱した粒子」を測定する！
＝ジェット生成＊パートン：クォークとグルーオンの総称

34

ジェットとは？
(taken from P.Stankus PHENIX Focus talk, 2005)

On-linedisplay
fromFermilab,
ca 2004	

実験的に観測される高い運動量をもったハドロンの束A UA2 two-jet event, ca 1982	

1. クォークやグルーオン同士の高い運動量移行反応で生成される
2.

運動量保存により、角度にして約１８０ 方向に対になって生成35

More Jets in HEP

36

ジェットの方位角相関の様子(陽子-陽子 p+p 衝突の場合)
トリガー粒子Near-side

Away-side
パートナー粒子STAR event display in p+p37

STAR実験によるジェットイベント
Find this………in thisp+p →jet+jet(STAR@RHIC)• しかしながら、金原子核衝突でジェットを見つけ出すのは実験的に非常に困難！
（処方）統計的手法を用いる

Au+Au →???
(STAR@RHIC)
38

ジェットと２粒子方位角分布 (p+p)
p+p → di-jet
PRL 90, 082302

トリガー

Away side	

Near Side	• trigger: highest pT track, pT>4 GeV/c• Δφ distribution: 2 GeV/c < pT <pT trigger• normalize to number of triggers

39

ジェットと２粒子方位角分布 (Au+Au)
Phys. Rev. Lett. 91, 072304 (2003).

Pedestal&flow subtracted

Near side: p+p, d+Au と同じ
Away side:	

Au+Au 中心衝突で反対方向のジェットが消滅！	

このデータを再現するには。
– グルーオン密度:
dNg/dy ~ 1100
– エネルギー密度: 	

ε > 100 ε0 (!)(= ε > 15 GeV / fm3)

?
40

41

高エネルギーパートンが物質中を通過した際に失われたエネルギーはどこに？
どのように物質中を伝播するのか？

Away side"

Near side"

Away side に２つのピーク？
42

衝撃波！？

集団的運動は見えるのだろうか？

43

集団的運動は見えるのだろうか？

• Simple answer: Yes! 非常に高い集団運動的振る舞いが RHIC でみえた.

44

完全流体の実現か?
• 粘性なしの流体力学模型,RHICで初めてデータを再現
v2
Lines:Hydrodynamics calc.
with QGP type EoS.
*viscosity = resistance of liquid
to shear forces (and hence to flow)pT (GeV)* Required QGP Type EoS in
Hydro model

熱平衡にかかる時間 t=0.6 fm/c 、エネルギー密度 ε=20 GeV/fm345

Analogy in Cold Atomic System• Same phenomena observed in gases ofstrongly interacting atom at 10-6 K
6Li (@ 10-6 K)• Laser (optical) cooling• Fermi gas system• (3 p, 3 n, 3 e-): odd
number of nucleons andelectrons• spin  atoms.
• Quantum effect inM. Gehm, S. Granade, S. Hemmer, K, O’Hara, J. Thomas
ultra-cold atoms.
Science 298, 2179 (2002)

The RHIC fluid behaves like this, that is,a strongly coupled fluid.

46

ハドロンの種類
バリオン（重粒子）

メソン（中間子）•フェルミオン•構成クォーク数：３•クォーク３つ、又は反クォーク３つからなる• ボソン• 構成クォーク数：２• クォークと反クォーク対からなる

47

ハドロンとクォークモデル
バリオン（重粒子）
" cc!

!
!cc0

#cddc

" c0
#$dscnudd&!c, # c!
0 usc

" c+

ssc c

uud

uds

& ,# 0dds
dss"

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K0

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K
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C0

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(a)

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Dsc
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0–"suY(b)!
!ccd"s !0! – du"

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メソン（中間子）

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#" J/& %" udsu
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%!!

K *0
"uc"
D*0
D* " dc sc"
Ds* "Particle Data Book より

48

様々な粒子のv2 測定

49

v2 とクォーク融合模型• 構成クォークの数でのスケーリング則が成り立つ––

中間子（クォーク-反クォーク対）n =2,バリオン（（反）クォーク３つ）n =3,• 圧力勾配がハドロンレベルではなく、クォークレベルで生成・発展している証拠！
50

QGP生成の初期温度は？

51電子崩壊で測定する
光子のエネルギー分布＝温度
物質の熱的放射→	エネルギー分布（ボルツマン分布）	

より温度を測定する	

RICH で測定�

52

初期温度の測定

DATA: Tini > TAuAu ~ 220 MeV
MODELS: Tini = 300 to 600 MeV
Lattice QCD prediction： Tc ~ 170
MeV

Indicating thermal photon
emission at low pT.
JPS 2010, Sep. 13, T. Chujo

PHENIX (PRL 104, 132301 (2010))�

53

４兆度

太陽
表面温度: 5,780 K
中心温度:1.5 107 K
コロナの温度: 5 106 K

温度 K（ケルビン）と eV の対応
電子1個を1Vの電位差で加速したときのエネルギーは1 eV.
1 eV の平均運動エネルギーをもつ気体の温度は11,604 K（気体の分子運動論）

今回の熱的光子の測定：T = 300 MeV ~ ４兆度(4x1012 K)
54RHIC 実験のハイライト• 反対側のジェットの消滅（グルーオン密度とQGP物質のエネルギー損失）• ジェットと媒質の相互作用：衝撃波生成か？
• 大きな集団運動の観測とクォーク融合モデルによる自然な解釈• 熱的光子の観測：‒ ４兆℃を実現＞QCD相転移温度

Pedestal&flow
subtracted55

3. LHC-ALICE実験

Snap shot of ALICE Control Room (2010.08.25)- Data taking period, very quite… -�57

最初の陽子-陽子衝突を喜ぶ研究者たち
First collision p+p s= 900 GeV(2009.11.23, ALICE Control Room)Same Room�JPS 2010, Sep. 13, T. Chujo
58

The first “event” in p+p 0.9 TeV59

… and 7 TeV p+p�60

After 9 months later…
Already lots of first results from ALICE !�

61

62

63

First Pb+Pb collisions at √sNN = 2.76 TeV(Nov. 8, 2010, ALICE)�

64

ATLAS (first Pb+Pb collision)�

65

CMS (first Pb+Pb collision)�

66

RHIC vs. LHC�
RHIC�

LHC�

√sNN (GeV)�

200�

5500�

T/Tc�

1.9�

3.5-4.0�ε (GeV/fm3)�

5�

15-60�

τ QGP (fm/c)�

2-4�

> 10�

• High temperature QGP(2 x TRHIC).

67

RHIC vs. LHC�
RHIC�

LHC�

√sNN (GeV)�

200�

5500�

T/Tc�

1.9�

3.5-4.0�ε (GeV/fm3)�

5�

15-60�

τ QGP (fm/c)�

2-4�

> 10�

• High temperature QGP(2 x TRHIC).
• Jet production dominant.

RHIC�

LHC:Inclusive jets,annual yield; 104 @pT = 200 GeV/c(5.5 TeV, Year-1)
68

RHIC vs. LHC�
RHIC�

LHC�

√sNN (GeV)�

200�

5500�

T/Tc�

1.9�

3.5-4.0�ε (GeV/fm3)�

5�

15-60�

τ QGP (fm/c)�

2-4�

> 10�
[JW Harris, Winter WS on Nucl. Dynamics (2008)]• High temperature QGP(2 x TRHIC).
• Jet production dominant.
• Copious heavy quark
production (10x σc-cbar ).

69

RHIC vs. LHC�
RHIC�

LHC�

√sNN (GeV)�

200�

5500�

T/Tc�

1.9�

3.5-4.0�ε (GeV/fm3)�

5�

15-60�

τ QGP (fm/c)�

2-4�

> 10�

• High temperature QGP(2 x TRHIC).
• Jet production dominant.
• Copious heavy quark
production (10x σc-cbar ).
• LHC:– Study the matter by clean
probes, and response of bulk
matter in HI collisions.
[JW Harris, Winter WS on Nucl. Dynamics (2008)]

70

Large Hadron Collider (LHC)
LHC Basics :Magnets: 1232, 15 m long, 9 T, superconducting dipolesCircumference: 27 kmp+p √s = 14 TeV, L = 1034 cm-2s-1
Pb+Pb √sNN = 5.5 TeV, L = 1027 cm-2s-1

ALICE

JPS 2010, Sep. 13, T.
Chujo

71ATLAS

ALICE experiment
ALICE = A Large Ion Collider Experiment•

Dedicated heavy ion experiment at LHC:
– Study ‘state of matter’ at high temperature & energy
density; QGP.
– LHC: 30 x energy of RHIC
• Expect very different type of ‘QGP’• ‘hard signals’ to probe QGP (jets, γ, c and bquark )• First Pb+Pb (2.76 TeV) collisions Nov. 2010

• ALICE Institutes from Japan.
– Hiroshima Univ.: PHOS
– Tokyo Univ. (CNS): TRD, FoCAL upgrade– Univ. of Tsukuba: EMCal, DCal

72

ALICE Collaboration

Collaboration:> 1000 Members> 100 Institutes> 30 countries73このあたりにいるはず？�

74

ACORDE
V0
T0
ZDC
FMD
PMD

75

Detector:Size: 16 x 26 75	

meters
Weight: 10,000 tons

ALICE PID performance
ITS	

ALICE performance
Work in progress

dE/dx (a.u.)	

TOF

TPC

 PID using ITS, TOF, TPC
TPC dE/dx:• separates p/ K up to 1.1 GeV
TOF:• separates K/ π up to ~ 1.5 GeV76

Calorimeters: PHOS, EMCAL �• Invariant mass of π0 at 7 TeV p+p data.
77

Strangeness productions (p+p 7 TeV)Σ* → Λ π	Κ* → Κ π	Ξ → Λ π	

Ω → Λ Κ	

< 2% of statistics	

at 7 TeV	

78

J/Ψ at p+p 7 TeV
J/Ψ → e+e- |y| < 1J/Ψ → µ+µ-, y = 2.5 - 4 179

Charm at p+p 7 TeV

80

Di-Jet event (7 TeV p+p)�

η-φ grid�

81

4. QGP物理、今後の展開

82ジェット、パートンとQGP物質の相互作用�
パートンエネルギー損失�

dE α sN c=qˆ L ?�dx4or�€dE α sN c 2 ?�=qˆ Ldx4€

多重ジェット生成でQGP物質が撹乱！？
失われたパートンエネルギーでQGPが再加熱？	
83

High Multiplicity Event in p+p 7 TeV

84

p+p 高多重度イベント�＠
LHC ＝	84
RHIC energy (200 GeV) Cu+Cu 衝突に相当	

ICHEP 2010 J. Schukraft	85

再び�QCD 相図�• 我々はいまだQCD相図を理解していない...�

T. Hatsuda, K. Fukushima, arXiv:1005.4814v2�

86

QGP = クォーク多体系の物理�‒ 高温・高密度QCD物性の多彩さ‒ クロスオーバー領域の物理：• 低温物性（強相関）、素粒子物理、宇宙物理（初期宇宙、中性子星、超高エネルギー宇宙線）、質量の起源（カイラル対称性の破れの回復）、カラー超伝導 etc…

87

まとめ
• ２０００年から開始した RHIC加速器を使った実験により、クォーク・グルーオンプラズマ相転移の確証を得た。
‒ 宇宙誕生から１００万分の１の状態、”リトルバン”の再現‒ QCD相転移を強く示唆する実験結果とそれをサポートする理論‒ QGP物性の解明に向けて、精密測定の時代へ‒ QCD 相図のマッピング (RHIC, FAIR(GSI, 独))• ２００９年よりLHC加速器がいよいよ稼働を開始。
‒ より宇宙初期へと迫る‒ QGP相のさらなる理解‒ 全く予期しない新発見も！

88

これが 本当のQGP 	の姿なの！	

89

BACKUP SLIDES�

90

標準模型

• クォークとレプトン、それらの反粒子• 力を媒介するゲージボソン（４種類）• 標準模型（Standard Model)• QCD (量子色力学)と強い相互作用＝核力の起源91

核物質の相図 (QCD phase diagram)* 通常の原子核物質:
ε ~ 0.2 GeV/fm3, ρ ~ 0.16 /fm3

92