RHIC-sPHENIX実験初年データにおける粒子多重度の測定
高エネルギー物理学研究室
波多美咲
2023年度修士論文発表会
Feb. 16. 2024

目次
1. 序論
2. 実験セットアップ
3. データ選定
4. 結果と考察
5. まとめと今後の課題

2

序論

クォーク・グルーオン・プラズマ (QGP)• 高温高密度状態でハドロン内のパートンが束縛から解放された状態。ビッグバンから数μ~数十μs後に存在していたとされる。

高エネルギー原子核衝突実験• 高エネルギーに加速した重い原子核同士を衝突させることで高温高密度状態を作り出すことで、QGPを実験室系で生成する。
3

序論

Relativistic heavy ion collider (RHIC)• 米国ブルックヘブン国立研究所にある、高エネルギー原子核衝突実験が行われている加速器。2000年から稼働、世界で初めてQGPの生成に成功している。

• 最大重心系エネルギー• Au+Au：200GeV,p+p：500GeVsPHENIX実験• 2023年5月からRHICで稼働した実験• 目的：QGPの輸送係数とデバイ遮蔽長の温度依存性などのQGPの性質を決定する。
4

測定粒子数から予測された中心衝突度(sPHENIXのINTTのデータを使用)

序論

中心衝突度（centrality）• 衝突する原子核同士の衝突度合い。実験から予測される。

ラピディティ・擬ラピディティ• ラピディティ：相対性理論での運動の大きさの尺度。
1
E + pz1 pz
y = ln() = tanh ( )2E pzE<latexit sha1_base64="9wFJJSzcyspIp1EmO0ntajRnIGU=">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</latexit>

100%

0%

• 擬ラピディティ：ラピディティを近似した量。粒子が光速のとき、粒子の質量を無視できる。

<latexit sha1_base64="NCcXCzUtkNMRJWuU7X6EEcPPPBU=">AAACznichVFLaxRBEK6Mr7g+supFyGVxWckiO1SPy8YNLARCIMdN4iaBTFx6Jr3ZJvNypndhMwy5in8gh5wUQhB/hhdvnjzkJ4jHKF5ErXmIeIjWMF1VX9VX/XW3FTgyUohnU9qly1euXpu+Xrpx89btmfKduxuRPwpt0bN9xw+3LB4JR3qip6RyxFYQCu5ajti09pfS+uZYhJH0vadqEogdl+95ciBtrgjql2Vt0jEHIbdjlsRGYjreXJ4uPwr6B0m83EhdvWMq7g2fxQ2WFPW8mtRLEzOSrnhuCsU7jYxPrXHeZKohwengpN4vV1HH+Va73aygbjxmrMUoaBrNtsEqTMfMqlBY1y+fggm74IMNI3BBgAeKYgc4RPRtAwOEgLAdiAkLKZJZXUACJeKOqEtQByd0n9Y9yrYL1KM8nRllbJt2cegPiVmBGn7EN3iO7/EtfsLvF86Ksxmplgl5K+eKoD/z8v76t/+yXPIKhn9Y/9SsYABPMq2StAcZkp7Czvnjg6Pz9YW1WvwQX+Nn0v8Kz/AdncAbf7FPVsXaMZToAX7fcuXiYMPQWUtnq83q4krxFNMwCw9gju57HhZhBbrQo30/wFf4AT+1rjbWEu0wb9WmCs49+Mu0F78AI6S0hQ==</latexit>y'⌘=✓ln(tan )
25

序論

粒子多重度

• 高エネルギー原子核衝突実験で生成した粒子数。衝突の中心度を示す。
• →特性評価に不可欠な変数。
• 粒子多重度の擬ラピディティ依存性は、エネルギー密度などのQGPに関する情報を持つ。

• →過去の実験でも測定されている。

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序論(例)BRAHMS実験↓0˜5%• 2000年にBRAHMS実験で測定された擬ラピディティ分布↓5˜10%↓10˜20%• 重心系エネルギー200GeV、Au+Au
衝突データを使用

20˜30%←30˜40%• →中心衝突度が大きいほど粒子多重度も大きい↑40˜50%• →それぞれの中心衝突度での上下の変動は少ない

7

序論

本研究の目的• sPHENIX実験で得られた磁場なしの重心系エネルギー200GeV、Au+Au衝突のデータを10kイベント用いて、粒子多重度の擬ラピディティ依存性について測定。

• sPHENIX実験での検出器の性能を確認する• 先行研究の結果と比較することでsPHENIX実験での稼働状態を確認する

8

実験セットアップ
中間飛跡検出器 INTT

• sPHENIXの飛跡検出器の一つ。二層のバレル構造のストリップ型シリコン検出器。
• ビーム軸から7~10cmに位置し、ビーム軸方向±23cm、全方位角をカバーしている。
9

実験セットアップ

中間飛跡検出器 INTT

• ストリップ型シリコン検出器（ラダー）56本で構成• ラダー：シリコンセンサー、FPHX Chipなどから構成• シリコンセンサー：横幅の異なる２種類が用いられる。それぞれ128channelに分かれており、ストリップの幅は78μm、厚さは320μmである。

Inactive Area
Active Area
ChipHeight10

Chip ID

2613251224112310229218207196Type-A
Chip Width

20

HighDensityInterface Cable

Silicon Sensor

Silicon Sensor

185174321163152141

Strip Width

0.078

Type-B
Chip Width

16

Silicon Sensor

ch0ch1ch127(mm)y(vertical)

Silicon Sensor

10

ChipColumn

FPHX chips

xz (Beam)⨂

本研究でのDAC設定値

実験セットアップ

中間飛跡検出器 INTT• FPHX Chip：センサーからの信号を読み出す。信号を積分・波形整形を行い、3bitのADC値を出力する。

ADC=5ADC=6V = 4 ⇥ DAC + 210ADC=4500

ADC=3600

ADC=2700

ADC=1対応電圧はDAC値を用いて以下の式で表される。

DAC
15~30
30~60
60~90
90~120120~150150~180180~210210~800

ADC=0• ADC値：8bitのDAC値で設定可能。

adc(zvtx<23)
DAC設定値の閾値ADC
01234567

ADC=7200250<latexit sha1_base64="axxnMmYhTrQz605NN8bdIxZXR8I=">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</latexit>• 対応電圧はセンサーを通過したときに損失するエネルギーに対応している。

400300200100011 050100150

DAC

y実験セットアップ

NsPHENIX検出器↓中間飛跡検出器 INTT - クラスタリング• sPHENIXでは上図のような右手系を採用。
• INTTのデータは channel-ID →(x, y, z) に変換、channelの中央の位置座標をヒット位置とする。

• 隣り合うchannelにヒットがあった場合、クラスタz

xHit

クラスターーとする（下図）。

• クラスターのヒット位置→ヒット位置の平均位置• クラスターのADC値→ヒットのADC値の合計
12Hit

実験セットアップ

Minimum Bias Detector (MBD)• sPHENIX実験のトリガーに用いられるチェレンコフ検出器。

• z= -250cm, 250cmのビームパイプの周りに2つ配置されている。

• 単位時間50ps• 衝突の位置を南北の時間差で測定

250cm250cmしている（下図）

MBD13

↑
衝突点MBDデータ選定① Z-vertex Cut• 図：MBDで測定した衝突点のz位置（Z-vertex）分布• 250cmに小さなピークが見られる
Z-vertex of MBD• →MBDの設置位置と一致

h_bz
EntriesMean
Std Dev

50• →シグナルではないと判断

10001−16.4166.82

403020• カット条件：|Z-vertex| <20cmのみ使用

100−300
14−200−1000100

200300[cm]データ選定• BCO-FULL：sPHENIX検出器全体のcount② Beam Clock Cut

bcofull&bco
10K events_intt7_L0
BCO-FULLとBCOの差Beam Clock105• BCO：INTTのBeam Clock104• INTTと他の検出器が同期→2つのBeam Clockの差は一定になる

103• 図：Beam Clockの差の分布

102020406080• カット条件：background 5以上となる範囲に含まれるヒットを使用
15100120bco_full&0x7F - bcoデータ選定③ Channel Cut• 図：Type-A Chipでのヒット数
分布• 赤線：ガウス関数でフィットした結果• 点線：mean 3σ

Type-A Chipの各ストリップのヒット割合
140
120
10080604020• カット条件：

000.005

mean-3σ~mean+3σに含まれるストリップのデータを使用

0.010.015

横軸：160.02

0.025

0.03
nhit

各ストリップが鳴った回数
Runのイベント数

データ選定④ ADC Cut3×10• 上図：クラスターのADC分布1400
1200• → 0, 90, 210付近にピークがある

1000
800

• 下図：角度θ毎に分けた場合のADC分布

600
400

• → 0, 210付近のピークはどの角度にもある。

20000200

400

600

800

1000
theta

3×10

• →間にあったピークは角度が水平に近づくほど大きい方へ移動する。

theta:85~95

140

theta:40~45,135~140120

theta:30~35,145~150

10080
60
40
20

1700

100

200

300

400

500

600

700

800900データ選定④ ADC Cut

• 0, 210付近のピークは常にある。
• 間にあったピークは角度が水平に近づくほど大きい方へ移動する。
3×10

theta:85~95

140

theta:40~45,135~140120• 予想

theta:30~35,145~15010080• 0付近のピーク：ノイズ

6040• 中間のピーク：シグナル

2000100

200

300

400

• 210付近のピーク：ノイズ or ADC設定値の影響によるもの
18500

600

700800900

データ選定④ ADC Cut

• 図：85<θ<95の場合の分布。データとシミュレーションの分布の形状を比較している• シミュレーションでは中間のピークと210付近のピークは見られるが、０付近のピークは見られない。

• →データの0付近のピークはノイズ• →210付近のデータはノイズではない

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データ選定adc (MBD, z:-23~23)h_adc_90_z23
EntriesMean
Std Dev
χ2 / ndf
ProbConstant
MPV
Sigma

80000

④ ADC Cut

70000

• 上図：85<θ<95の場合の分布をランダウ関数でフィットしたもの。

60000
50000

384056150.9
1488338 / 25
04.404e+05 ± 1.217e+03
94.94 ± 0.16
23.59 ± 0.07

40000
30000

• 下図：フィットから得られた最確値と角度のグラフ。Bethe-Blochの式（下式）から得られたエネルギー損失の計算値と比較している。計算値はθ~90のときに一致するようにスケーリングしている。

20000
10000
00200400

600

800

1000

1200

1400

• 最確値が計算値とほぼ一致している• →中間のピークはシグナル

20θデータ選定④ ADC Cut

• 上図：閾値を設定せずにシミュレート
した角度毎のADC分布• 210付近のピークは見られない

theta:85~95
1600• →210のピークの影響がないため水平に近い角度でも一致した。

• 210付近のピークはDAC設定によるものADC
01234567

theta:40~45,135~140
1400

theta:30~35,145~150

1200
1000
800
600
400
200
00100200300• 下図：上図をフィットしたときの最確値と角度のグラフ。

DAC設定値

1800

400

500

600

700

800

DAC
15~3030~6060~9090~120120~150150~180180~210210~

ADC/energy loss vs theta

1000

k*energy loss(calcurate)
MPV of ADC(simulation)800

k=1.090059

600

400

200

2100102030405060708090

θデータ選定④ ADC Cut

• ADC分布の• ０付近のピークはノイズによるもの• →カット• 中間と210付近のピークはシグナル

adc(zvtx<23)
1800
1600
1400
1200
1000
800

MPV

600

MPV-3*sigma

400
200
00100

• カット条件：角度毎に、最確値-3σ以上を使用。
22200

300

400

500

600

700

800

④ ADC Cut

角度毎のカット範囲

ADC

データ選定

• 表：フィットを元に決定したADCのカット範囲• 図：ADC vs θ の2次元分布

赤線：カットの閾値23

θBRAHMS実験の結果

結果と考察

dN/dηdN/dη

中心衝突度毎の粒子多重度の擬ラピディティ分布
粒子多重度の擬ラピディティ分布
900
800
700
600
500
400
300

0-5%
5-10%10-20%• 結果として、左右非対称・中心衝突度20-30%が大きいほど粒子多重度も大きい分布が得られた

30-40%
40-50%• →先行研究とは異なる形状

200100
0−4−3−2−10123244
ηη

Z-vertex of MBD
Z-vertex分布

結果と考察

h_bz
EntriesMean
Std Dev

5010001−16.4166.82

中心衝突度毎の粒子多重度の擬ラピディティ分布 - 考察
40dN/dη
dN/dη

3020

粒子多重度の擬ラピディティ分布

10900
800
700
600
500
400
300

0-5%

0−300

5-10%

−1000100• 左右非対称になる原因

10-20%

200300[cm]• Z-vertexの影響によるもの

20-30%
30-40%• Z-vertex分布：約-20cmにピークが40-50%ある

200
1000−4−200−3−2−10123η

25• →η<0でのエントリー数が減っ4ηたと考えられる。

結果と考察η~0の場合の粒子多重度と中心衝突度• →アクセプタンスの補正は行っていないが、似た傾向が見られた。

dN/dη¦η=0dN/dη¦η=0 vs centrality
800
700

BRAHMS600• 本研究での誤差は統計誤差のsPHENIXみ。先行研究は統計誤差と系統誤差を使用しているが系統誤差が支配的。

500
400300• →今後アクセプタンスの補200
10000102030405060

centrality[%]26

正、系統誤差の見積もりを行う

結果と考察

dN/dη
dN/dη

データとシミュレーションの比較• →シミュレーションは、ほぼ一定の左データとシミュレーションでの擬ラピディティ分布右対称な分布。データと異なる

180160data

140

simulation• →z-vertexの影響であると考えられる。run2024以降で測定し直す必要がある

120100• →現段階での課題：①シミュレー

806040200−4−3−2−101234ηη
27

ションの衝突点位置をデータと同じように調整し、比較する。②Zvertex位置によってアクセプタン
スの補正で調整し、比較する。

まとめ・今後の課題• sPHENIX実験で初年度に測定された磁場なしの sNN =200GeV の Au+Au 衝突デー
タを用いてADCに対するカット条件を決定し、粒子多重度について解析した。

• 放出角度θ毎にADC分布について考察した• →どの角度でも０付近に見られたピークはノイズであると考えられ、それに対するカット条件を決定した。

• 結果として、粒子多重度の擬ラピディティ分布では、左右非改称な分布が得られた。
• →Z-vertexが約-20cm偏っていることにより、ηが０未満の範囲での測定が正しくできていないと考えられる。

• →今後、系統誤差の検討、アクセプタンスの補正、シミュレーションのZ-vertexの調整を行う。

28