ALICE実験での電子対の結果と展望
関畑 大貴 (東大CNS)
Heavy Ion Pub
2021年5月28日

References:
arXiv:2005.14522 (submitted to PRL)
Phys. Rev. C102(2020)055204
Phys. Lett. B 788 (2019) 505
Phys. Rev. C 99, 024002
JHEP 1809 (2018) 064
arXiv:2104.07050
arXiv:2103.16623
Phys. Lett. B 814 (2021) 136114
arXiv:1812.02820

物理的動機•低質量領域 : mee < 1.1 GeV/c2- 熱輻射仮想光子 (mee→0 極限)- ベクトル中間子を通じたカイラル対称性の部分的回復

Direct photon productions•

中間質量領域 : 1.1 < mee < 2.7 GeV/c2- 熱輻射電子対- 重クォーク起源電子対の(脱)相関

Thermal dilepton production- かすり衝突での干渉光生成

Coherent photoproduction• 高質量領域 : 2.7 GeV/c2 < mee- J/ψ中間子- Drell-Yan過程

Open charm correlation
2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

2

(私の考える)電磁プローブの意義•

色荷をもたず、強い相互作用をしない- 生成された時点での情報をもたらす- QGP相に対して透過的→流体膨張するQGP相の初期状態特定 (ALICEの強み)

Direct photon productions• 実験的な困難- 全段階から電磁放射されるので、背景事象との戦い- 信号は既知成分との差として測定する

Thermal dilepton production

ATLAS, CMS, LHCbの強みとして:• Z/W/γでパートン分布関数を決定• Z/γーJet抑制と組み合わせることで、エネルギー損失しない基準値

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

3

ALICE検出器•

Inner Tracking System- Vertexing- Tracking
- PID

•

Time Projection Chamber- Tracking
- PID

•

Time of Flight- PID• V0 at forward rapidity- Triggering- Multiplicity estimator

Collision systems
pp s = 13 TeV Minimum Bias + high multiplicity
pp s = 13 TeV with B = 0.2 T
pp s = 5.02 TeV
p-Pb

sNN = 5.02 TeV

Pb-Pb
2021年5⽉28⽇

sNN = 5.02 TeV
関畑

大貴 (東大CNS)

4

粒子識別性能• 異なる手法を使って、異なる運動量領域を覆う。
• LHC加速器実験の中でも、強い粒子識別能力をもつ。
• 本講演では、電子に着目する。
2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

5

熱(仮想)光子に関する結果
時間軸t• 実験的に測定するのは全光子• 直接光子 : 生成された時点の状態を保持- 熱輻射- 初期硬散乱• ハドロン崩壊光子が約90%を占める

衝突前
パートン硬散乱

QGP相

初期硬散乱光子

熱輻射光子
直接光子

ハドロン気体ハドロン崩壊光子
初期硬散乱光子

全光子

熱輻射光子

3~4 GeV/c

2021年5月28日

直接光子生成関畑

大貴 (東大CNS)

6

仮想光子生成 Pb-Pb collisions at

T, e> 0.4 GeV/ c , ηe < 0.8

fLF

2<pfHFT, ee< 4 GeV/ c

1.6fdirr = 0.10 ± 0.06
χ2/NDF = 3.30/2

10−1decaypVirtual direct photons 0-10%r fdir + (1 - r ) fLF + fHF

1.5dirPb-Pb, s NN = 2.76 TeV, 0-10%

ALICE, Pb-Pb, sNN = 2.76 TeV

1.7

Hadronic cocktail: fLF + fHF

1.4

R γ (*) = 1 + γ (*)/ γ (*)

1DataALICE

1 dN
N evt dm ee(GeV/ c 2)-110B)sNN = 2.76 TeV

10−2

Real direct photons 0-20%, PLB 754 (2016) 235-248
Mc Gill group, PRC 93 (2016) 044906
H. van Hees et al., NPA 933 (2015) 256
R. Chatterjee et al., PRC 85 (2012) 064910
Linnyk et al., PRC 92 (2015) 054914

1.3
1.2
1.1

10−3

110−400.05

0.10.150.20.250.3m ee (GeV/c 2)

11.5• 実光子と相補的な手法 (mee→0 極限)• ハドロン崩壊起源電子対を超えた成分 : 直接仮想光子

22.5

3

3.5

4

4.5
pT, γ5(GeV/c )(*)

r : 直接光子と全光子の比Rγ : 全光子と崩壊光子の比• 統計を蓄積することが必須→2018年のPbPbデータに期待
2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

7

小さい系での光子生成
10

ALICE pp s = 13 TeV
p1T,e> 0.2 GeV/c , |ηe| < 0.82<pT,ee< 3 GeV/cf dir (m ee)

r = 0.012 ± 0.012 (stat.)

10−1Dataf HF(m ee)f LF(m ee)+f HF(m ee)(1−r )f LF(m ee)+r f dir (m ee)+f HF(m ee)−210dσ/dmee (mb / (GeV/ c 2))

dσ/dmee (mb / (GeV/ c 2))

https://cds.cern.ch/record/2317190
ALICE high-mult. pp s = 13 TeV
T,e2<p−3

10

10−4

10−6

ALI-PUB-150463

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

< 3 GeV/cf dir (m ee)

r = 0.027 ± 0.011 (stat.)f HF(m ee)T,ee(1−r )f LF(m ee)+r f dir (m ee)+f HF(m ee)

10−410−50.05

Dataf LF(m ee)+f HF(m ee)

10−30(0−0.036% INEL)
p > 0.2 GeV/c , |ηe| < 0.8

10−20.350mee (GeV/ c 2)

ALI-PUB-150480

0.050.10.15

0.20.25

0.30.35mee (GeV/ c 2)

• 最小バイアスデータ : null consistentr : 直接光子と全光子の比• 高粒子多重度事象 : 統計的優位度~2.5σ• 上図の結果は2016 dataのみ。今後の解析(2016+17+18)に期待。
2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

8小さい系での光子生成

dirr =γ• 高粒子多重度事象 : 統計的に優位0.2/γincl

https://cds.cern.ch/record/2317190

0.15

ALICE high-mult. pp s = 13 TeV(0−0.036% INEL)

Virtual photon analysis• 系統誤差が大きい- η/π0のmT scalingが原因(後述)

90% C.L.

0.10.05• 理論模型と比較しながら、小さい系での熱輻射光子を探索中。

0−0.05−0.1
0
ALI-PUB-150507

2021年5⽉28⽇

123

456p (GeV/ c )T

関畑大貴 (東大CNS)

9電子対生成 central Pb-Pb collisions at

sNN = 5.02 TeV• 2015年のPb-Pb衝突からの結果 (0-20%)- 熱的電子対を含む計算と誤差の範囲で一致• 新たなチャンネル : 熱的電子対- 実は、熱輻射光子は青方偏移している- GeV/c2領域の電子対からQGP相の初期高温状態に到達する。
- チャームハドロン起源電子が主背景事象• ハドロン化に伴う光子生成- 電磁プラズマの中性化に伴う光子生成と同様- クォーク再結合模型の改善
ALI-PREL-307971

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

10熱光子の困難さを改善する熱的電子対• 熱光子- 実は、熱光子の運動量分布は青方偏移して、高温状態、ハドロン相近傍の区別がつかない

温度 (GeV)- 熱光子パズル (大きな収量、大きなv2)• 新たなチャンネル : 熱的電子対

熱光子横運動量分布 pT (GeV/c)

空間- GeV/c2領域の電子対からQGP相の高温状態に到達する。
• 一方、光子の意義は、ハドロン化に伴う光子生成時間

熱的電子対不変質量分布 Mee (GeV/c2)

arXiv:1612.07359- 電磁プラズマの中性化に伴う光子生成と同様- クォーク再結合模型の改善- ハドロン相近傍の熱輻射が多いことを利用

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

NPA 967 (2017) pp.704-707

11重クォークに関する結果• 重ハドロンの半レプトン崩壊起源電子対• その角度相関が不変質量・運動量分布に現れる。
- ppをベースライン(ほぼ反対方向)/dM eedy (GeV/c 2)-1

Open charm (de)correlation(相関が失われるか)

1 ALICE Upgrade Simulation
Pb-Pb s NN = 5.5 TeV
0-10%, L int = 3 nb-1

10−1ITS2, B = 0.2 T|η e| < 0.8p > 0.2 GeV/ cT,eRapp ρ (broad)
Rapp QGP
light-hadron decays w/o ρcc → e+e‘measured’
Syst. uncert. sig.+ bkg.
Sum• 熱的電子対にとっては背景事象

10−2• 長寿命の特徴を活かして、衝突点からの距離で判別する。

1/N evt d2Nraw- QGP中でどれだけ拡散されるか

10−3c"c → e! e"- D meson : cτ ~ 150 μm- B meson : cτ ~ 500 μm

10−4

熱輻射0ALI−SIMUL−306839

2021年5⽉28⽇

0.51

1.52
2.5M ee (GeV/c 2)

関畑大貴 (東大CNS)

12

102
Datas = 5.02 TeV, |ηe| < 0.8
0.2 < p < 10 GeV/ c

Cocktail sum

p T,ee < 8 GeV/c

cc → e+e- (POWHEG)± 3.2% norm. uncertainty

bb → e+e- (POWHEG)

T,e1

Light flavor-T,ee

10ALICE, ppdσee(mb/GeV/c )dpdσee(mb/GeV/c 2)dm ee

Dielectron production in pp collisions at s = 5.02 TeV-J/ψ → e+e , J/ψ → γ e+e−1

1010−210−2−310ALICE, pps = 5.02 TeV, |ηe| < 0.80.2 < p T,e < 10 GeV/ c
1.10 < m ee < 2.70 GeV/c 2Data
Cocktail sum
cc → e+e- (POWHEG)
bb → e+e- (POWHEG)± 3.2% norm. uncertainty

J/ψ → e+e-, J/ψ → γ e+e-10−410−310−410−5Data
CocktailData
Cocktail

10−5
1.5
10.50ALI-PUB-483446

0.5

11.522.5

31.5
10.503.5m ee (GeV/c 2)

1

ALI-PUB-483466

2

3

4

567pT,ee8(GeV/c )• 同エネルギーpPb, PbPb衝突のためのベースライン測定• 特に重クォーク生成断面積を測定したのが有意義
2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

13

DCA analysis in pp collisions at s = 7 TeV• 特に、Run1データでは、従来の- 電子対不変質量分布- 横運動量分布に加えて、DCA分布を初測定した。
• 将来のDCA解析による重ハドロン起源電子除去の可能性を示した。
D meson : cτ ~ 150 μm
B meson : cτ ~ 500 μm

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

14

HF production cross sections in pp collisions at different energies

ALI-PUB-347500

ALI-PUB-347495• D中間子測定、単電子b→(c→)e測定の結果とよく一致(at 7 TeV)。
• (大きな誤差の範囲で)FONLLと衝突エネルギー依存性も再現。
2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

15

104
Datas NN = 5.02 TeV, |ηe| < 0.80.2 < p < 10 GeV/ c

Cocktail sum

p T,ee < 8 GeV/c

cc → e+e- (POWHEG × A)

± 3.7% norm. uncertainty

bb → e+e- (POWHEG × A)

T,e102

Light flavor-1-J/ψ → e+e , J/ψ → γ e+esNN = 5.02 TeVALICE, p-Pb

Datas NN = 5.02 TeV, |ηe| < 0.80.2 < p < 10 GeV/ c

Cocktail sum

T,ecc → e+e- (POWHEG × A)

1.10 < m ee < 2.70 GeV/c 2T,ee

103

ALICE, p-Pbdσee(mb/GeV/c )dpdσee(mb/GeV/c 2)dm ee

Dielectron production in p-Pb collisions at-bb → e+e (POWHEG × A)

± 3.7% norm. uncertainty

J/ψ → e+e-, J/ψ → γ e+e-

10−1

10

1

10−2

10−1

10−3

Data
Cocktail

Data
Cocktail

10−2
1.5
1
0.50
ALI-PUB-483451

0.5

11.522.53m ee

3.5(GeV/c 2)

1.5
10.50ALI-PUB-483471

1234567pT,ee8(GeV/c )• 重クォーク起源電子対カクテルは、pp衝突での実測値を質量数A倍したもの。

2021年5⽉28⽇

関畑大貴 (東大CNS)

16

RpPb of dielectron in p-Pb collisions at

sNN = 5.02 TeV• 初のデータ点同士で割り算したRpA• 1.1 < mee < 2.7 GeV/c2では、shadowing (EPS09)ではなく、thermal radiation(HG+QGP)を好む。

ALI-PUB-483476

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

17

RpPb of dielectron in p-Pb collisions atsNN = 5.02 TeV• 初のデータ点同士で割り算したRpA• 1.1 < mee < 2.7 GeV/c2では、shadowing (EPS09)ではなく、thermal radiation(HG+QGP)を好む。
• 横運動量の関数として見ても、thermal radiationと一致。
• まだ誤差が大きいので、将来のDCA解析によるチャームハドロン起源電子除去に期待。
- shadowingで減る or- thermal radiationで増える
ALI-PUB-483486

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

18

低横運動量電子対の増大に関する結果• 超かすり衝突(Ultra Peripheral Collisions)- 加速した重イオンビームの電磁場でレプトン対が生成• 超かすり衝突 + ハドロン衝突

Coherent photoproduction- 高精度で計算可能なQEDをプローブとして研究対象となるQCD物質に打ち込む- かすり衝突ではQGPの寿命が短いので困難さもある。

Phys. Rev. Lett. 121.132301 (2018)- 強磁場があると、電子対の角度差分布、平均横運動量に変化が現れる

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

19

1 dN ee (GeV/ c 2)-1N ev dm ee

かすり衝突での低横運動量電子対の増大10210
110−1ALICE Preliminary
Pb-Pb sNN = 5.02 TeV
p > 0.2 GeV/c , |ηe| < 0.8T,e< 0.1 GeV/cpT,ee70-90% Data
-350-70% Data × 10
Upper limits at 90% C.L.
Sum cocktail

10−210−310−410−510−610−710−810−9Data/Cocktail

10210

100.5

ALI−PREL−486401

2021年5⽉28⽇

11.522.53• Coherent photoproductionと一致。
• 2015+2018 ~ 統計量約2倍• 平均横運動量や角度差分布にも挑戦。(強磁場探索)

m ee (GeV/ c 2)

関畑

大貴 (東大CNS)

20

pp衝突での電子対の増大 s = 63 GeV• CERN ISR AFSでの電子対増大- pT,ee < 1 GeV/c- 未だに説明がついていない- 追実験もない• ALICEでの低磁場データ(B = 0.2 T)- pT,e > 75 MeV/c- TOFでの電子識別が低運動量でも可能• η/π0の改善が必須
V.Hedberg, Ph.D thesis, Lund University, 1987 at the ISR

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

21

η/π0の実験的改善• mT scalingをやめて、SPS実験データから制限- η/π0は衝突エネルギーに依存しない- 低横運動量で強い制限を与える(- 今後のためにも、B = 0.2 TのALICEデータでのη/π0を求む。)
2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

22

pp衝突での電子対の増大 s = 13 TeV with low B field• 0.15 < mee < 0.6 GeV/c2, pT,ee < 0.4 GeV/cで増大

ALI-PUB-486659

2021年5⽉28⽇

ALI-PUB-486664

関畑

大貴 (東大CNS)

23

pp衝突での電子対の増大 s = 13 TeV with low B field• 0.15 < mee < 0.6 GeV/c2, pT,ee < 0.4 GeV/cで増大• 超過収量は荷電粒子多重度に依存しない

pT,ee (GeV/c)

1.00.4
Excess region
ALI-PUB-486669

0.15
2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

0.6mee (GeV/c2)
24

pp衝突での電子対の増大 s = 13 TeV with low B field• 0.15 < mee < 0.6 GeV/c2, pT,ee < 0.4 GeV/cで増大• 超過収量は荷電粒子多重度に依存しない• 超過収量は- ハドロンの制動放射- ハドロン多体系からの熱輻射どちらでも説明されない。

ALI-PUB-486674

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

25

Pb-Pb s NN = 5.5 TeV
0-10%, L int = 3 nb-1

10−1ITS2, B = 0.2 T|η e| < 0.8p > 0.2 GeV/ cT,eRapp ρ (broad)
Rapp QGP
light-hadron decays w/o ρ
cc → e+e‘measured’
Syst. uncert. sig.+ bkg.
Sum1 ALICE Upgrade Simulation

10−1

10−2

Pb-Pb s NN = 5.5 TeV0-10%, L int = 3 nb-1

Rapp ρ (broad)

ITS2, B = 0.2 T

Rapp Sum‘meas.’ - cc - cockt.

|η e| < 0.8p > 0.2 GeV/ c

10−3

Syst. uncert. cc + cocktail

10−2

Fitted by exp(-M/T)
in 1.1 < Mee < 2.0 GeV/c2

10−3

c"c → e! e"
10−4

Rapp QGP

Syst. uncert. sig. + bkg.

T,e

1/N evt d2N

1/N evt d2N

raw/dM eedy (GeV/c 2)-1

1 ALICE Upgrade Simulationraw/dM eedy (GeV/c 2)-1展望

10−4

熱輻射
0ALI−SIMUL−306839

0.5

11.52
2.5
M ee (GeV/c 2)

0
ALI−SIMUL−306843• GEM-TPC換装による高統計データ収集と• 新ITSによる衝突点決定精度向上
2021年5⽉28⽇

0.5

1

1.5

2
2.5
M ee (GeV/c 2)

チャームハドロン起源電子除去後の組み合わせで初めて可能になる。
関畑

大貴 (東大CNS)

26

まとめ
• Run2データからも続々と電子対の結果を公表している。
- 同じ衝突エネルギーで大小様々な系(pp, pPb, PbPb @ 5.02 TeV)
- 低横運動量電子対の増大• Run3へ向けたALICE高度化- 100倍のデータ収集能力(GEM-TPC)- 衝突点分解能向上(ITS, MFT)

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

27

展望の紹介2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

28

ALICE Upgrade Simulations
Correlated dimuons
Cocktail without ρ
cc → µµ
Rapp QGP

105

dN raw/dM µµ (dimuons per 10 MeV/c 2)

dN raw/dM µµ (dimuons per 10 MeV/c 2)

ミューオン対Pb-Pb s NN = 5.5 TeV
0-10%, L int = 10 nb-1

ALICE Upgrade Simulations

5101 < p < 10 GeV/c
T

Rapp in-medium SF

Pb-Pb sNN = 5.5 TeV

Rapp sum (Syst. Err. cc + cocktail)0-10%, L int = 10 nb-1

Rapp sum (Syst. Err. Bkg.)

1 < p < 10 GeV/cT

Rapp QGP
Rapp in-medium SF1041041031020
ALI−SIMUL−306418

0.20.40.60.811.2 1.4
M µµ (GeV/ c 2)

0ALI−SIMUL−306413

0.20.40.60.811.2 1.4
M µµ (GeV/ c 2)

• Excellent mass resolution for dimuons thanks to MFT• ρ meson mass spectrum with ~ 20% uncertainty @ Mμμ = 0.5 GeV/c2
2021年5⽉28⽇

関畑

⼤貴 (東⼤CNS)

29

Pb-Pb s NN = 5.5 TeV
0-10%, L int = 3 nb-1

10−1ITS2, B = 0.2 T|η e| < 0.8p > 0.2 GeV/ cT,eRapp ρ (broad)
Rapp QGP
light-hadron decays w/o ρ
cc → e+e‘measured’
Syst. uncert. sig.+ bkg.
Sum

Rapp ρ (broad)

ITS2, B = 0.2 T

Rapp Sum‘meas.’ - cc - cockt.

|η e| < 0.8p > 0.2 GeV/ cRapp QGP

Syst. uncert. sig. + bkg.

T,eSyst. uncert. cc + cocktail

10−2

10−3

10−3

10−4

10−4

ALI−SIMUL−306839

Pb-Pb s NN = 5.5 TeV
0-10%, L int = 3 nb-1

1/N evt d2N

10−201 ALICE Upgrade Simulation

10−1

1/N evt d2Nraw/dM eedy (GeV/c 2)-11 ALICE Upgrade Simulation

raw/dM eedy (GeV/c 2)-1

電子対

0.5

11.5

022.5
M ee (GeV/c 2)

ALI−SIMUL−306843

0.5

11.522.5
M ee (GeV/c 2)• Reject dileptons from cc pairs by DCA

2021年5⽉28⽇

関畑

⼤貴 (東⼤CNS)

30

/dM eedy (GeV/c 2)-1

中間質量領域からの平均温度抽出
1 ALICE Upgrade Simulation
Rapp ρ (broad)

ITS2, B = 0.2 T

Rapp Sum‘meas.’ - cc - cockt.

|η e| < 0.8
p > 0.2 GeV/ cRapp QGP

Syst. uncert. sig. + bkg.

T,eSyst. uncert. cc + cocktail

10−2

1/N evt d2N

raw

10−1

Pb-Pb s NN = 5.5 TeV0-10%, L int = 3 nb-1

Fitted by exp(-M/T)
in 1.1 < Mee < 2.0 GeV/c2

10−3

10−40
ALI−SIMUL−306843

0.5

1

1.52
2.5
M ee (GeV/c 2)• Reject dileptons from cc pairs by DCA• dN/dM ∝ exp(-M/T)
2021年5⽉28⽇

関畑

⼤貴 (東⼤CNS)

31

pT spectra of dileptons and inverse slope of exp(-pT/Teff)

Eur. Phys. J. C (2009) 59: 607–623• Inverse slope parameter Teff : sensitive to radial flow velocity β as “barometer”• Expected relative stat. uncertainty ~ 1% for Teff in Run 3-4
2021年5⽉28⽇

関畑

⼤貴 (東⼤CNS)

32

Dilepton flow

• Important to measure not only dN/dM, but also v2• Sensitive to shear and bulk viscosity• Expected relative stat. uncertainty ~ 10% in Run 3-4
2021年5⽉28⽇

関畑

⼤貴 (東⼤CNS)

Phys. Rev. C 101, 044904 (2020),
Gojko Vujanovic et. al.

33

Future pp program at s = 14 TeV
arXiv:2005.14522• Reduced solenoid magnetic field 0.2 T- pT,e > 75 MeV/c- η/π0 ratio at low pT• Expected Lint ~ 3 pb-1 (x 300 more than Run 2 data)- multi-differential analysis in mee, pT,ee, multiplicity• Unique sensitivity to soft dielectron at RHIC and the LHC- So far, the excess is described by neither hadronic
bremsstrahlung nor thermal radiation.
http://cds.cern.ch/record/2724925/files/ALICE_HEpp_PublNote.pdf

2021年5⽉28⽇

関畑

⼤貴 (東⼤CNS)

34

backup

2021年5⽉28⽇

関畑

大貴 (東大CNS)

35