J-PARC における重イオン衝突の物理~ 新たなアプローチによるQCD相図解明に向けて ~中條 達也（筑波大学）
Heavy Ion Pub
２０１５年７月２４日

目次
1. 高エネルギー重イオン実験の（簡単な）歴史
2. 分かったこと、まだ分からないこと
3. なぜ今、 J-PARC による重イオン実験か？
– 目指す物理
4. J-PARC 重イオン実験計画– 重イオン加速計画、実験計画
5. まとめ1. 高エネルギー重イオン
実験の簡単な歴史

高エネルギー重イオン反応•

重イオン衝突＝非常に dynamical. 時空発展による物理現象の理解が不可能•

衝突エネルギーの変化→ dynamics と QCD
相図上の軌跡が変化

History of Heavy Ion Accelerator

1970
Slide from H. Hamagaki

1980

1990

2000

2010

BNL-AGS;
Alternating
Gradient
Synchrotron(1986-,√sNN = 5 GeV)Baryon stopping
Proton rapidity distributions

ycm = 1.6 (AGS)

maximum proton density
at mid-rapidity= maximum baryon stopping at
AGS
From TC, PhD thesis (2000)

Net proton dN/dy(proton - antiproton)
BRAHMS collaboration, Nucl.
Phys. A 757 (2005) 1-27

Radial flow (expansion) and blue shift

T

1/pT dN/dpT

pure thermal
sourcee E /Tw/o expansion:
Energy (pT) distribution determined bytemperature T:

light

Boltzmann distribution (thermal distribution)

heavy
pT

T, β

1/pT dN/dpT

expandingsourcelight

w/ expansion:
Particles are pushed by common velocity (flow).
The larger energy for the heavier particle (kinetic
energy ~ mv2).
Particles come towards an observer (blue shift)

heavy
pT

Boltzmann + radial flow effectccoolllleeccttiivvee  
fflloowwT1
T0 + mvr2
2

9Collective flowTe E /T1
T0 + mvr2
2

Protonπ+K+✓ FFllaatttteerr  mmtt  ddiissttrr  ffoorr  hheeaavviieerr  ppaarrttiiccllee  mmaassss• MMaassss  OOrrddeerriinngg  ooff  ssllooppee  ppaarraammeetteerr  TT..

✓ CCoolllleeccttiivvee  ffllooww  bboooossttss  pptt  ddiissttrr..  aaccccoorrddiinngg  
ttoo  iittss  mmaassss

ccoolllleeccttiivvee  
ffllooww

Elliptic flow

Elliptic flow crossover at AGS energy

v2

Beam Energy (A GeV)Beam energy dep. of v2• Low energy (~200MeV): positive v• bouncing off of colliding nuclei• Medium energy (200 MeV - 4 GeV):
2

negative v2• blocking effect by spectators• High energy (>4 GeV): negative topositive v2• better separation between

spectators and participants• Nuclear mean field• Pressure gradient (EOS)

SIS

AGS

SPS

Beam energy

RHIC

CERN-SPS;
Super Proton
Synchrotron(1986-,√sNN = 17 GeV)V(r) c-cbar potential!
ccPerturbative Vacuum

Survival ProbabilityccColor Screening

confinement
J/ψ"CERN SPS
NA50 Collaboration
http://na50.web.cern.ch/NA50/r!
deconfinement•T. Matsui and H. Satz, Phys. Lett. B178, 416 (1986).

Anomalous J/ψ
suppression isobserved.

Energy Density

CERES/NA45
Anomalousenhancement of
dilepton pairs areobserved.
A hint of chiral symmetry
restoration(but other models can also
explain it)BNL-RHIC;
Relativistic Heavy
Ion Collider(2000-,√sNN = 200 GeV)

10

10-9

10-8

Jet quenching @ RHIC (= energy loss of parton in QGP)
10-10

10-11
0

10-9

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0

2

4

6

8

10

12

p (GeV/c)

✓

20

T

RAA

Au+Au - 200 GeV (central collisions):
Direct 2 , 2 * [PHENIX]
Inclusive h± [STAR]+0 [PHENIX]. [PHENIX]g
GLV energy loss (dN /dy = 1400)

10

yyiieellddss•･

18”hot/dense QCDmedium” Fig. 15. Invariantdn
T dy
+0 AA
yields/dp
measuredby PHENIX in peripheral (left) and central (right)=
AuAu collisions (squares) [89], compared to the (TAA -scaled) pp → +0 + X cross section (cir”QCD vacuum”
Nandbinary· dncalculationcles) [134]to a NLO pQCD
pp /dp(curves
T dyand yellow band) [119].

✓ １）DDeeccrreeaassee  ooff  hhiigghh  mmoommeennttuumm  ppaarrttiiccllee  •･16

p (GeV/c)

T

RAA =

14

NNoo  oobbsseerrvvaattiioonn  aatt  lloowweerr  ccoolllliiddiinngg  
bbeeaamm  eenneerrggyy  ((ee..gg..  SSPPSS))

TToo  rreepprroodduuccee  ddaattaa  bbyy  “JJeett  
qquueenncchhiinngg”  ppaarrttoonn  eenneerrggyy  lloossss  
mmooddeell::•Gluon density: dNg/dy ~ 1100•

Energy density: ε > 100 ε0 (!)•(= ε > 15 GeV / fm3)

Ncoll scaling

1

10-1

Npart scaling

0

2

4

6

8

10

12

14

16
18
20
p (GeV/c)T

Fig. 16. RAA (pT ) measured in central AuAu at 200 GeV for +0 [89] and . [135] mesons,charged hadrons [114], and direct photons [136, 137] compared to theoretical predictions forparton energy loss in a dense medium with dN g /dy = 1400 (yellow curve) [138].

top RHIC energies is very close to the “participant scaling”, (N part /2)/Ncoll ≈ 0.17,
expectedin the strong quenching limit where only hadrons coming from partons
２）DDiissaappppeeaarraannccee  ooff  bbaacckk--ttoo--bbaacckk  jjeettss  

produced at the surface of the medium show no final-state modifications in theirspectra[141]. From the RAA one can approximately obtain the fraction of energy      EEnneerrggyy  lloossss  〜  ffeeww  GGeeVV//ffmm

lost, !loss = &pT /pT , via
1/(n−2)!loss ≈ 1 − RAA,(36)
CCaannnnoott  eexxppllaaiinneedd  bbyy  hhaaddrroonn  ggaass..

•･•･

when the AuAu and pp invariant spectra are both a power-law with exponent n, i.e.
1/pT dN/d pT # p−n
T [142]. At RHIC (n ≈ 8, RAA ≈ 0.2), one finds !loss ≈ 0.2.
pedestal
and flow
The high-pT AuAu
suppression
can be well reproduced by parton energy loss
models that assume the formation of a very dense system with initial gluon rapidity densities
dN g /dy≈ 1400(yellow
in Fig. 16) [138], transport coeffiT. Chujo, 2013 Joint Workshop of FJPPL (TYL) and FKPPL,
Yonsei Univ.
Seoul,
Korea,
June line
4, 2013→  OOnnee  ooff  tthhee  eevviiddeenncceess  ooff  QQGGPP  ffoorrmmaattiioonn

Strongly interacting QGP,
perfect fluid (2005)

19

Re
pl ac
an tioe nAzimuthal Anisotropy
Py

Z

Pz

TTrraannssffoorrmm
Px

mmoommeennttuumm  
ssppaaccee

ccoooorrddiinnaattee  ssppaaccee  YX

p2y p2xv2 = ⇥ 2⇤2
py + px

y 2 x2⇤
ecc = ⇥ 22
y +x
hhyyddrrooddyynnaammiiccss  !!

λ

/R

0

HHiigghheerr  eeffffiicciieennccyy  ooff  
ttrraannssffoorrmmaattiioonn  ((ssppaaccee  →  mmoommeennttuumm)),,  aapppprroocchhiinngg  
hhyyddrrooddyynnaammiiccss/R0v2/(Quark Number)v2: quark number scaling✓ Quark number (n ) scalingq

arXiv:1412.1043v1 (PHENX)→ Indication that anisotropy
developed at parton level, nothadronic level.

QQuuaarrkk  CCooaalleesscceennccee  aallssoo  
eexxppllaaiinnss  vv22  bbeehhaavviioorr✓ UUnniivveerrssaall  aazziimmuutthhaall  ddiissttrriibbuuttiioonn  ooff  
Hadronqquuaarrkkss
Azimutal distr. of meson (2q)；dN M∝ w 2 = (1+ 2v 2,q cos2φ ) 2dφ≈ (1+ 4v 2,q cos2φ )Azimuthal distr. of baryon (3q)；

€

QGP

dN B
∝ w 3 = (1+ 2v 2,q cos2φ ) 3dφ≈ (1+ 6v 2,q cos2φ )Azimuthal distr of quark; w€w ∝ (1+ 2v 2,q cos2φ )→  QQuuaarrkk  NNuummbbeerr  SSccaalliinngg  iinn  vv22  !!!!

22

SSttrroonngg  ccoouupplliinngg  aanndd  sshheeaarr  
vviissccoossiittyy

slide from Y. Miake

iinntteerrnnaall  rreessiissttaannccee  ttoo  ffllooww

FFrroomm  vviieeww  ppooiinntt  ooff  KKiinneettiicc  tthheeoorryy,,  

Low ⌘

p̄

High ⌘

s

n

1
3 np̄

n

) (⌘/s) ⇠ p̄

( !0)

& 0

(uncertainty principle)

ddiimmeennssiioonn  lleessss  iinn  nnaattuurraall  uunniitt

⌧ (=

F
@u
)⌘⌘
S
@y

WWiikkiippeeddiiaa✓ SSttrroonngg  ccoouupplliinngg
23

LHC

LHC
(2009-,√sNN = 2.76, 5.1
TeV)

LHC (Large Hadron Collider)2009-, √sNN = 2.76, 5.1 TeV

LHC: Circumference : 27 km

Nov. 8, 2010
First Pb-Pb collisions at LHC,
the opening new era ofheavy ion program at LHC

第１期 LHC重イオン衝突実験結果のハイライト(Run-1 : 2009-2013)•

初期到達温度: Tint ~ 304 ± 51 MeV (RHIC の 1.4 倍).

•

大きな集団膨張 (等方, 楕円) (ALICE, ATLAS, CMS)•

大きなジェット抑制効果 (ALICE, ATLAS, CMS)•

Υ 励起状態の消滅 ＝高温物質生成の証拠 (CMS)温度

LHC (2009-)
RHIC と比べて高温、大体積、長寿命QGPの生成を確認Tc

RHIC (2000-)
強く相互作用する QGPを発見（流体モデルの成功）
SPS
low mass レプトンペアの増大、
J/psi 抑制AGS
強いバリオンストッピング
Elliptic flow (v2): negative →positive

通常原子核

密度

一方、日本ではSlides from S. Nagamiya (J-PARC HI workshop @ KEK, Nov. 2014)➟ Bevalac で重イオン加速➟ J-PARC 計画へ統合

KEK トリスタン計画発足 (❨1982)❩＊ 日本人重イオン研究者は、海外で実験を行うことになる（AGS, SPS, RHIC, LHC）

世界の動向https://www.gsi.de/en/research/fair.htm?nr=8

Booklet "Search for the Mixed Phase ofStrongly Interacting
Matter at Nuclotron-based Ion Collider Facility"- アメリカ・BNL RHIC Beam Energy Scan II (2018-2019)- ドイツ・GSI FAIR SIS-100 (2021-)- ロシア・JINR NICA (2020-)

国内の動向••しかしながら（米・RHIC BES-II を除き）計画が遅れ気味。
将来計画として、日本の J-PARC で重イオンを加速し、このエネルギー領域
で、これまでなかった別の観点から新しい物理を目指してはどうか•••「日本の核物理の将来レポート」作成開始 (2010-)
2013 年頃より、本格的に議論を開始
エネルギーフロンティア志向 → 高統計・精密測定で迫る高バリオン密度物
質、QCD相構造の解明•

日本における重イオン衝突実験•

ある意味、日本人重イオン研究者、あるいは原子核物理研究者の悲願とも言える

日本の核物理の将来レポート「高エネルギー重イオン」
原子核研究 Vol. 57, Suppl. 2 (2013)
３つの研究の柱：• QGP物性の精密研究、熱平衡化機構（ゲージ場のダイナミクス）の研究• 有限密度QCD相構造の研究• カイラル対称性の回復現象の研究「日本の核物理の将来レポート」より抜粋

2. 何がわかったのか、
何がまだわかっていないのか(特にQCD相図について)分かったこと
その１
低バリオン密度・高温領域では、QGPからハドロン相へ、
クロスオーバー相転移する

Recent	  La)ce	  QCD	
  calcula/ons:Tc	
  =	
  150-­‐200	
  MeV,	
  cross	
  over	  phase	  transiKon	
  from	  hadronic	
  phase	  to	
  partonic	
  phase	  (QGP).

Wuppertal-­‐Budapest’s	
  LQCD	
  EOS
JHEP	
  1011	
  (2010)77

分かったこと
その２
原子核液体気体相転移が存在する

Nuclear Liquid-Gas Phase Transition
Fixed Volume

Ohnishi, Randrup ('98)
J. Pochadzalla et al. (GSI-ALLADIN
collab.),PRL 75 (1995) 1040.

* A temperature scale was derived from observed yield ratios of He and Li isotopes.

分かったこと
その３
どのエネルギー領域の粒子比も、熱的統計モ
デルを使ってよく記述できる。また、そこで決定される化学的凍結温度とバリオン密度はQCD 相図上にあるラインを形成する。

LHC
Pb-Pb (2.76 TeV)
0-20% central

Braz. J. Phys. vol.37 no.2c São Paulo June 2007
http://dx.doi.org/10.1590/S0103-97332007000500024
N. Xu

39

Space-time evolution of Heavy Ion Collisions

4
3

2
1

Parton scattering(parton) thermal equilibrium
and QGP formation
3. Chemical freeze-out (ceases
inelastic scattering, particle
ratios fixed)
4. Kinetic freeze-out (ceases
elastic scatting, particle
momentum fixed)
1.
2.

40

Hadron production in the local
thermal equilibrium (1)t Assume (1) local thermal equilibrium (T = const.) and (2)chemical equilibrium (ni: particle multiplicity = const.)t Particle multiplicity (ni) can be determined by Temperature T,
chemical potential µ,t From Grand Canonical Ensemble for fermions and bosons:g ∞p 2 dpni =, Ei =2 ∫ ( E ( p )− µ ) / T
2π 0 e±1iSimplest form:
41idn ~ e−( E − µ )/T d 3 p

p 2 + mi2

Hadron production in the local
thermal equilibrium (2)•A particle ratio (e.g. pbar-p ratio)– Ratio of μ/T is determined.

•

Another particle ratio (e.g. K/π ratio)
– T→μ

•

By repeating these procedure (fit), one can determine the all particle
ratios and abundances by from T and µ only.

•This model is called “statistical thermal model”•

Need the measurements of particle ratios and parameter fitting for T andµ (µB).

p e−( E + µ )/T= −( E − µ )/T = e−2 µ /T
p e−(EK )/TK e= −(Eπ )/T = e−(EK −Eπ )/T ≈ e−Δm/T
π e42

RHIC data: Au+Au 200 GeV

LHC data: 2.76 TeV Pb+Pb

44

LHC
Pb-Pb (2.76 TeV)
0-20% central

Braz. J. Phys. vol.37 no.2c São Paulo June 2007
http://dx.doi.org/10.1590/S0103-97332007000500024
N. Xu

45

分かったこと
その４
SPS 以上のエネルギーではレプトン対生成に既知のハドロンからの寄与以上の余剰成分がある (LHC は未発表)

Spontaneous Chiral
Symmetry Braking
Spontaneous	
  Chiral	  Symmetry	
  Breaking:	
  Characterized	
  by	
  Order	  Parameter	
  <qq>< qq >≈ 250MeV

SPS< qq >≈ 0

RHIC
LHC

FAIR/J-PARC

High	
  T	
  
High	
  ρ

3

Dileptons from fireballDalitz:π0àγe+eηàγe+eωàπ0e+eφàηe+e-

Heavy flavor:
ccàe+e- +X
bbàe+e- +X
Drell-Yan:qqàe+e-

Direct:ρàe+eωàe+eφàe+eJ/ψàe+eψ’àe+e-= Known Source = “Cocktail”

vs.
Experimental data

• Dileptons• probe the entire space-time

evolution of the fireball(continuously emitted during theevolution)• Not subject to strong

interactions, not significantly
affected by the medium at laterstages of the collisionExcess on di-electronmass spectrum (data)

CERES (SPS)

Enhancement

Excess on di-electron mass spectrum (data)
PHENIX data
STAR data

A. Agakichiev et al., Phys. Rev. Lett.
75, 1272 (1995). A. Agakichiev etal., Eur. Phys. J. C4, 231 (1998).

分かったことのまとめ

温度Tc

クロスオーバー
相転移

レプトン対増大

化学フリーズアウト
ライン

液体気体相転移
通常原子核

密度

まだ分かっていないこと

RCP = (yields in central x Ncoll(cent))/(yields in peripheral x Ncoll(peri))

1. １次相転移か、クロスオー
バーか？臨界点はあるのか？

•

RHIC ビームエネルギースキャン (BES-I; Beam
Energy Scan), 7.7 - 62.4 GeV による臨界点探査– RAA, v2 のクォーク数スケーリング、揺らぎ測定など– 未だ明確な兆候なし•

より詳細なスキャン (BES-II) @ RHIC (2018-2019)53

2. レプトン対測定の解釈の難しさ:
カイラル対称性の破れは見えたのか、見えないのか？
• 高エネルギー重イオン	
  [van Hees+R. Rapp ‘06]

– SPS-­‐NA60	
  (PRL	
  96	
  (2006)	
  162302)	
  • Modification	
  of	
  ρ	
  meson	
  due	  to	
  hadronic	
  effects	  – RHIC-­‐PHENIX	
  (PRC81(2010)	
  034911)	
  • Origin	
  of	
  the	
  enhancement	
  is	
  under	
  discussion	  - RHIC-­‐STAR	
  • Enhancement	
  is	
  seen,	  but	  much	  smaller	
  than	  PHENIX	  • 原子核標的	  (p-­‐A)	
  – HADES	
  (G.	
  Agakishiev	
  et	
  al.	
  Eur.Phys.J.	
  A	
  48	
  64	
  (2012).)	
  KEK-PS E325

• Enhancement	
  in	
  low	
  mass	  region	  – CBELSA/TAPS	  (Phys.Rev.	
  C82	  (2010)	
  035209)	
  • Modification	  of	
  ω is	  not	
  observed	  – J-­‐LAB	
  CLAS	
  G7	
  (PRL	
  99	
  (2007)	
  262302)	
  • Mass	  broadening	
  of	
  ρ	
  due	  to	
  hadronic	
  effects	  – KEK-­‐PS	
  E325	  	
  (PRL	
  96	
  (2006)	
  092301)	
  • Peak	  shift	  and	  	
  width	  broadening	
  of	
  ρ/ω

Slides from K. Ozawa (RIKEN HI tutorial, Mar. 2014), modified54

3. 今なぜ J-PARC で重イオン実験なのか？

J-­‐PARC	
  重イオン衝突の物理	  (√sNN	
  =1.9	  -­‐	
  6.2	
  GeV	
  )•軽イオンから	
  U	
  重イオンまで加速	
  

•AGS	
  では測定しなかった（出来なかった）物理量を初めて測定し、世界最高のバリオ
ン密度物質を研究する	
  – レプトン対(電子,	  ミューオン)	
  ➡ カイラル対称性回復の研究	
  
•

直接光子	
  
➡ 高バリオン物質からの熱光子放出？	
  -

揺らぎの測定（バリオン数・電荷等の保存量)	
  ➡ 	
  QCD	
  臨界点探査	  – エキゾティックハドロン/原子核、チャームの物理	  • mulKple-­‐strangeness	
  (ストレンジレット探査)	
  	
  • ２重、３重	
  ハイパー核	  • チャームハドロン(J/Ψ,D)	
  – ハドロンガスの物性量測定、高密度核物質の物性56

Beam energy vs. collision rate

J-PARCでの重イオン衝突実験では、世界最高のビーム強度で、
1.9 - 6.2 GeV での重イオン固定標的実験が可能に
この計算（固定標的）では、各加速器でのビームレートと1% 反応率を仮定.
AGS, SPS (NA61) については、データ取集レートを計算に採用

実験技術の向上

Standard GEM
Pitch=140μm
Hole φ=70μm• 高レートに耐えうる検出器・データ収集系が利用可能になってきた (例：ALICE, CBM (FAIR))J-­‐PARC	
  重イオン衝突で達成可能な	  バリオン密度59

Pressure

Baryon density

Baryon	
  density	
  (simulaTon,	
  JAM	  Cal.	
  by	
  H.	
  Sako,	  2014)

Time (fm/c)

Time (fm/c)• JAM:	
  hadronic	
  cascade	
  model	  •http://phits.jaea.go.jp/OvPhysicalModelsJAM.html
Y.Nara et.al. Phys. Rev. C61 (2000) 024901

	
  
60

Neutron  Star  -‐‑‒  Neutron  Star  (NS-‐‑‒NS)  merger  vs.  
HI  collisions  at  J-‐‑‒PARC
CNN ニュース:http://www.cnn.co.jp/fringe/35035080.html
プレスリリース
http://www.cfa.harvard.edu/dvlwrap/open̲night/
PressConference̲2013-07-17̲640x360̲low.mp4

NS-­‐NS	
  merger	
  can	
  touch	  unreachable	  region	
  in	
  phase	
  diagram	  	
  “high	
  density	
  and	  (relaTvely)	
  high	  temperature”	
  
cf	
  T	
  ~	
  100MeV,	
  μΒ~	
  1000MeV	  (Shapiro	
  1998,	
  Chen,Labun	
  2013)	
  Slides from K. Itakura (J-PARC HI workshop @ KEK, Nov. 2014)

QCD和則とスペクトル関数
Slides from M. Kitazawa (RIKEN HI tutorial, Mar. 2014), modified①スペクトルに構造を仮定②パラメータを、

スペクトル

QCD和則から推定

媒質中のQCD和則
Hatsuda-Lee, 1992

T. Chujo (U. Tsukuba)

核物質中の
媒質変化？
E325@KEK62

QCD和則とスペクトル関数
Slides from M. Kitazawa (RIKEN HI tutorial, Mar. 2014), modified

comment by 初田さん
International Conference on Soft Dilepton Production
LBNL, 1997

http://macdls.lbl.gov/DLS_WWW_Files/DLSWorkshop/proceedings.html

スペクトル自身よりも、積分値の方がよ
り直接的に実験とQCD凝縮を比較できる
See also, Hatsuda, Hayano, RMP82, 2949

T. Chujo (U. Tsukuba)

63

測定精度の時代へ
SPS-NA60

RHIC-STAR

J-PARC では…
pT ビン毎、質量分布の精密測定→ QCD sum rule との直接比較(moment 解析)
T. Chujo (U. Tsukuba)

64

Simulated	
  di-­‐electron	
  spectrum(preliminary)0

Based	  on	  π 	
  spectra	
  of	
  JAM	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  Other	  hadrons	
  mT-­‐scaled	
  π0b<1fm	  (0.25%	
  centrality)	
  Momentum	
  resolution	
  2%	
  Electron	
  efficiency	
  50%	
  

ω
ρ

φ

	
  

No	
  detector	
  response
11

10 	
  =	
  100	  G	  events	
  100k	
  events/s	
  
x	
  1	
  month	  running	
  εisolation	
  =	
  rejection	
  efficiency	
  of	
  close	  opening	
  angle	  Dalitz	
  pairCalculations	
  by	
  T.	
  Gunji	  and	  T.	
  Sakaguchi
NA45 (CERES) データより３桁高い統計量を１ヶ月で取得！
cf.) STAR (BES-II) fixed target program: 5 M events @ √sNN = 5 GeV

65

Low-­‐mass	
  dielectrons,	
  maximum	
  at	  J-­‐PARC	  	
  ?
J-­‐PARC

X:	
  Low-­‐mass	
  dilepton	
  enhancement	
  factor	  Measured	
  /	
  cocktail	
  in	
  m=0.2-­‐0.8	
  GeV/c2	
  •Maximum	
  baryon	
  density~8GeV

Maximum	
  low	
  mass	  enhancement	
  at	
  
√sNN	
  =	
  3-­‐8GeV?	
  • Highest	
  baryon	
  density	
  ~	
  8GeV	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  (Randrup,	
  PRC74(2006)047901)
T.	
  Galatyuk,	
  EM	
  probes	
  of	
  Strongly	
  Interacting	
  Matter,	
  ECT*,	
  Trento	
  200766

Event-­‐by-­‐event	
  fluctuationsSTAR	
  PRL112	
  (2014)	
  032302• Search	
  for	  the	
  critical	
  point	  and	
  phase	
  boundary	
  Direct	  comparison	
  to	
  lattice-­‐QCD	
  may	  be	
  possible	  	
  • Net-­‐charge	  • Net-­‐proton	  	  • Strangeness	
  • Higher-­‐order	
  fluctuations	  High	
  event	
  statistics	
  
Wide	
  y,	
  pT	
  acceptance67

Strange	
  meson/baryons
Systematic	
  energy	  scan	
  below	  the	
  “horn”	
  at	
  ~8	
  GeV	
  Almost	  no	
  Ξ, Ω
measurements

J-­‐PARC
A.	
  Andronic	
  et	
  al,	
  Nucl.	
  Phys.	
  A	
  837	  (2010)	
  65	
  

68

Hypernuclei
Maximum	
  yield	
  at	
  J-­‐PARC	  • Coalescence	
  of	
  high-­‐density	  baryons	
  S=-­‐3	
  Hypernuclei	  	
  only	  possible	
  in	
  HI	
  collisions	  	
  • Precise	
  secondary	  vertex	
  reconstruction	
  (mid	  rapidity)	
  • Closed	
  geometry	
  (projectile	
  rapidity)	
  with	  full	  beam	  intensity
J-­‐PARC
A.	
  Andronic,	
  PLB697	
  (2011)	
  203	
  anti-hypertriton

KEK	
  Report	
  2000-­‐11
Expression	
  of	
  Interest	
  for	
  Nuclear/Hadron	
  Physics	  Experiments	
  at	
  the	
  50-­‐GeV	
  Proton	
  Synchrotron

69

Charmed	  particles• c-­‐c	
  produced	
  in	
  the	
  early	
  stage	  of	
  collisions	  J-­‐PARCCBM	
  Physics	
  Book,	  W.	
  Cassing,	
  E.	
  L.	
  Bratkovskaya	
  and	  A.	
  Sibirtsev,	
  Nucl.	
  Phys.	
  A	
  691	  (2001)	
  753
11/21/2014– D,J/ψ	  may	  be	
  modified	  	
  – Probe	  of	
  high	  density	
  state	  J-­‐PARC	
  energies	
  close	  to	
  the	
  production	
  thresholds	
  – D	  (5.07	
  AGeV),J/ψ (4.77	
  AGeV)	
  
May	
  be	
  possible	
  increase	
  of	
  beam	  energy	  from	  12	
  à19	
  AGeV/c	  – √s=	
  4.9à6.2GeV	
  (U)	  – Enhancement	
  due	  to	
  multi-­‐step	
  processes	
  in	
  A+A?	
  – Search	
  for	
  charmed	
  baryon	
  in	
  dense	
  matter.
70

Particle	
  production	
  ratesBeam	
  :	
  1010	
  Hz	
  
0.1%	
  target	
  	  à Interaction	
  rate	  107	  Hz	  Centrality	
  trigger	
  1%	
  à DAQ	
  rate	  =	
  100kHz	
  
In	
  1	
  month	  experiment:	
  ρ,ω,φàee	
  107-­‐109	
  D,J/Ψ
105-­‐106	
  (20AGeV)	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  (103	  -­‐104(10AGeV))	
  Hypernuclei	
  105	  -­‐1010

DileptonHypernuclei

Charm

Ref:	
  HSD	
  calculations	  in	
  FAIR	  Baseline	  Technical	
  Report	
  (Mar	  2006)	
  A.	
  Andronic,	
  PLB697	
  (2011)	
  203	  	
  11/21/2014

71

4. J-PARC における重イオン実験の提案

J-­‐PARC	
  HI	
  Collaboration
Nuclear	
  Experimentalists	
  and	
  Accelerator	
  Physicists	
  	
  
S.	
  Nagamiya	
  (JAEA/KEK/RIKEN)	
  H.	
  Sako,	
  K.	
  Imai,	
  K.	
  Nishio,	
  S.	
  Sato,	
  S.	
  H.	
  Hwang	
  (ASRC/JAEA)	
  H.	
  Harada,	
  P.	
  K.	
  Saha,	
  M.	
  Kinsho,	
  J.	
  Tamura	
  (J-­‐PARC/JAEA)	
  K.	
  Ozawa,	
  Y.	
  Liu	
  (J-­‐PARC/KEK)	
  T.	
  Sakaguchi	
  (BNL)	
  K.	
  Shigaki	  (Hiroshima	
  Univ.)	
  T.	
  Chujo,	
  B.	
  C.	
  Kim	
  (Univ.	
  of	
  Tsukuba)	
  T.	
  Gunji	  (CNS,	
  Univ.	
  of	  Tokyo)	
  M.	
  Kaneta	
  (Tohoku	
  Univ.)	
  K.	
  Oyama	  (Nagasaki	
  Institute	
  of	
  Applied	
  Science)73

Heavy-­‐ion	
  programs	
  in	
  the	
  world
Accelerator
RHIC	
  Beam	  Energy	  Scan	
  
(BNL)
NICA	
  
(JINR)
SIS-­‐100	
  (FAIR)

Type

Beam	
  	
  
energy	  Collider (AGeV)

C.M.	
  
Beam	
  rate	  /	
  Interaction	  energy	  Luminosityrate	
  (sec-­‐1)√s(AGeV)
7.7-­‐62	
  1026	
  -­‐1027cm-­‐2s-­‐1	
   600~6000	
  

Year	
  of	
  
experiment

Collider	
   0.6-­‐4.5

4-­‐11	
  Fixed	
  targetFixed	
  target(√s=20AGeV)(√s=20AeV)	
  (σtotal=6b)

2004-­‐2010	
  2018-­‐2019	  (e-­‐cooling)1027	
  cm-­‐2s-­‐1	
  ~6000	  2019-­‐	  (√s=9AGeV	
  Au+Au)	
  1.9-­‐2.4
2-­‐11(Au) 2-­‐4.7

1.5x1010	
  cycle-­‐1	
  (10s	
  cycle,U92+)(σtotal=6b)105-­‐107	
  (detector)

2017-­‐	  2021-­‐2024	
  SIS-­‐300

Fixed	
  target35(Au)

8.2

1.0x109	  cycle-­‐1?

J-­‐PARC

Fixed	
  target1-­‐19(U)1.9-­‐6.21010	
  -­‐1011	
  cycle-­‐1	
   107-­‐108	
  ?	
  (0.1%	
  target)(~6s	
  cycle)?

References	
  RHIC:	  A.	
  Fedotov,	
  LEReC	
  Review,	
  2013	  FAIR:	
  FAIR	  Baseline	  Technical	
  Review,	
  C.	
  Strum,	
  INPC2013,	
  Firenze,	
  Italy;	
  S.	
  Seddiki,	
  FAIRNESS-­‐2013,	
  C.	
  Hoehne,	
  CPOD2014	
  	
  
NICA	
  :	
  A.	
  Kovalenko,	
  Joint	
  US-­‐CERN-­‐Japan-­‐Russia	
  Accelerator	
  School,	
  Shizuoka,	  Japan,	
  2013,	
  A.	
  Sorin,	
  CPOD2014

74

J-PARC(JAEA & KEK)

400 MeV H- Linac

3 GeV Rapid Cycling
Synchrotron (RCS)

1 MW
50 GeV Main Ring
Synchrotron (MR)[30 GeV at present]

0.75 MWJFY 2006 / 2007
JFY 2008
JFY 2009

HadronExperimental
75
Hall (HD)Advantages	
  of	
  RCS/MR	
  for	  HI	  beam
1. Existing	  3	
  GeV	
  and	  50	  GeV	  synchrotrons	
  
	
  	
  	
  	
  	
  HI	
  injector	
  and	
  injection	
  section	
  in	
  RCS	  are	
  necessary	  2. Large	
  acceptance	
  (transverse	  ε>486πmmxmrad,	
  longitudinal	
  Δp/p>1%)	
  Multi-­‐turn	
  injection	
  of	
  high-­‐intensity	
  HI	
  beam	  3. Proven	
  performance	
  for	
  high-­‐intensity	
  proton	
  beam	
  
	
  	
  	
  	
  	
  Current	
  status	
  of	
  MR	
  
• Slowly	
  extracted	
  proton	
  beam	
  at	
  30	
  GeV	  
	   2.5x1013/cycle	  (6s)à1.3x1014	
  (2017)	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  Well	  understood	
  accelerator	
  performance	  	  	
   Optics,	
  lattice	
  imperfections,	
  acceleration,	
  beam	  loss76

Possible	
  accelerator	
  schemes	
  at	
  J-­‐PARC
P=10-­‐6Pa	  (current	
  value)
Einj=72AMeV	  	
  (same	
  rigidity	
  as	
  proton)

Au77+

A
B

New	
  LINACNew	
  LINAC

New	
  
Ring

3GeV	
  
RCS

50	
  GeV	
  
MR

	
  	
  	
  	
  32+
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  P=10-­‐9Pa	
  Au(improvement	
  required)
Einj=13AMeV

77

Physics	
  goals• Dileptons	
  (dielectron	
  and	
  dimuon)	
  	
  J-­‐PARC	  E16	  p+A• Systematic	
  and	
  high	  statistics	
  hadron	
  measurements	  – Strange	
  meson	
  and	
  baryons	  	
  – Event-­‐by-­‐event	
  fluctuations	
  (higher-­‐order	
  cumulants)	
  – HBT	
  (YN,	
  YY	
  correlations	  in	
  high	  baryon	
  density)	
  – flow	
  (EOS)	
  • Rare	  particles	  – Hypernuclei	  – Exotic	
  hadrons	  	  • Λ(1405)	
  • Dibaryon	
  (H-­‐dibaryon,	
  ΩN,	  ΔΔ,…)	
  • Kaonic	
  nucleus	
  (K-­‐pp,…)	
  J-­‐PARC	  π/K	
  beams– Charm	  • J/ψ,	
  D,	
  charmed	
  baryons	  • Photons	  – Thermal	
  photons	
  from	
  QGP

78

Experimental	
  requirements• High	  rate	  capability	  – Fast	  detectors	
  • Silicon	
  trackers,	
  GEM	  trackers,	
  …	
  – Extremely	
  fast	  DAQ	  • >=	  100kHz	  • High	  granularity	  – Pixel	  size	  <	
  3x3mm2	
  	
  

(at	
  1m	
  from	  the	
  target,	  θ<2deg,	
  10%	
  occupancy)	
  • Large	  acceptance	  (~4π)	
  – Coverage	
  for	
  low	
  beam	  energies	
  (CBM<30o	
  ,	
  beam	  energy>=8AGeV/c)	
  – Maximum	  multiplicity	
  for	  e-­‐b-­‐e	
  fluctuations	  – Backward	
  physics	
  (target	
  fragment	
  region)

79

TOF	
  (5m	
  from	  target)Preliminary	
  setup	  EMCAL	  (e,γ ID)	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  PbWO4	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  15X0e-­‐π	
  separationTop	
  View
TOF

RICH
RICH

Solenoid	
  (BL=1Tm)

Dipole	  (BL=1.5Tm)

Muon	
  	
  
tracker

C5F12	  radiator	
  30op<3.4GeV/c	
   µ	
  –	
  π	
  separation	
  Silicon	
  pixel/strip	  trackers(20mrad)p<0.8	
  GeV/c	
  	
  5m	
  TOF	
  with	
  30ps	  (MRPD)	
  	
  targetp=0.8-­‐1.5GeV/c	
  GEM	  trackers Multiplicity	
  RICH	
  (Aerogel)	
  	
  counter	  p>1.5	
  GeV/c	
  	
  
	
  Fe	
  absorbers	
  1.5m +	  Trackers
2m
1m
0.3m

ZCAL

2m

hadron-­‐ID	
  (θ<110o)	
  e-­‐ID	
  :	
  θ<30o	
  µ-­‐ID	
  :	
  θ<30o	
  
20o	
  =	
  ymid	  at	
  10AGeV/c

1m
Centrality	
  
MC	
  +	
  ZCALGEM	
  Trackers

EMCAL

15/07/22

GEANT4	
  simulation• JAM	  model	
  
	
  	
  	
  U+U	  collisions	
  	
  	
  	
  
	
  	
  	
  	
  	
  (10AGeV)

81
11/21/2014

U+U	
  at	
  10	
  AGeV	
  (Preliminary)Acceptance	
  (including	
  decay	  loss)

11/21/2014

p

97.5%

K

72.3%

π

87.1%
82

Charge*P	
  (GeV/c)

PID	
  and	
  momentum	
  (Preliminary)
DipoleΔp/pπ+ K+π-­‐ K-­‐

Momentum	
  vs	
  m2	
  (with	  TOF)
Solenoidp

TOF	
  resolution	
  50	
  ps	
  
2σ	
  π-­‐K	
  separation	
  p<2.8	
  GeV/c	  (dipole)	
  

pbar

M2	
  (GeV/c2)

M2	
  (GeV/c2)

Proton	
  (θ<30o) Momentum	
  resolution Proton	
  (θ>30o)

Silicon	  trackers	
  :	
  14-­‐23	
  µm	
  
GEM	
  trackers:	
  0.2-­‐0.4	
  mm	
  Position	  resolution	
  
Δp/p	
  
~	
  0.4%	
  x	
  p	
  (GeV/c)	
  (dipole)	
  ~	
  1.5%	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  (solenoid)	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  	
  
83
P(GeV/c)

11/21/2014

P(GeV/c)Simulated	
  di-­‐electron	
  spectrum(preliminary)0

Based	  on	  π 	
  spectra	
  of	
  JAM	
  
	
  	
  	
  	
  	
  	
  Other	  hadrons	
  mT-­‐scaled	
  π0b<1fm	  (0.25%	
  centrality)	
  Momentum	
  resolution	
  2%	
  Electron	
  efficiency	
  50%	
  

ω
ρ

φ

	
  

No	
  detector	
  response1110 	
  events	
  100k	
  events/s	
  
x	
  1	
  month	  running	
  εisolation	
  =	
  rejection	
  efficiency	
  of	
  close	  opening	
  angle	  Dalitz	
  pairCalculations	
  by	
  T.	
  Gunji	  and	  T.	
  Sakaguchi
11/21/2014

84

0.9m
1.3m

Top	
  	
  
View

HCAL
EMCAL

Toroidal

1m
0.5m
1.25m
1.90m(1.75m	
  magnet)

Toroid0.45m 0.45
m

0.6
m 5

3.2m

Muon	
  Tracker

0.45
m

0.45
m

RICH
R=1m

0.45
0.1m0.1mm
0.66m 0.4m

5m

1.65m

Beam

0.2m
1.4m

ZCAL

4m

0.25m 1.8
m

1m

4.15m

2015/7/23

4.35m
4.50m
5.16m
6.36m

85

Muon	  Tracker
HCAL
EMCAL

Beam	
  View

Toroidal
RICH

Toroid	  (BL=1-­‐2Tm)
2015/7/23

86

GEANT4	
  (Toroidal)	
  setup

全体：佐甲氏 (JAEA)
RICH 担当：B. Kim (筑波大, M1)87

検出器 R&D: MRPC-TOF• 時間分解能 ３０ ps は達成可能な見込み• 中條（筑波大）、稲葉（筑波技術大）、野中(D1, 筑波大)• JAEA, KEK との共同研究開始 (2015-)• J-PARC E-16 でのハドロン測定、J-PARC 重イオン実験へ	 -Status	
  of	
  J-­‐PARC	
  HI	
  Program• Design	
  of	
  accelerators	
  and	
  experiments	
  – A	
  conceptual	
  design	
  report	
  (white	
  paper).	
  – Collaboration	
  with	  CBM	  – Acceleration	  schemes	
  with	  RCS	
  and	  MR	  are	  being	
  studied	
  – Simulation	
  studies	
  of	
  the	
  experiment	
  are	
  going	  on	
  • Detector	
  R	
  &	
  D	
  

– J-­‐PARC	  E16	
  (electron/hadron	
  in	
  p+A)	
  – J-­‐PARC	
  proton	
  beams	  (1010	  Hz)	
  – Starting	  in	
  2016	
  • Baseline	
  data	  	
  for	
  A+A	
  data89

まとめ• J-PARC における重イオン衝突実験• 最大バリオン密度領域でのQCD相構造の研究• 新たなアプローチ（高統計・高精度・系統測定）で拓ける
新物理• レプトン対測定：QCD sum rule との直接比較により、高密度領域でのカイラル対称性• 揺らぎ測定：臨界点探査およびQCD相構造の解明• 実現に向けて、様々な活動が進行中（e.g. White Paper 作成、JPARC E-16 実験とのコラボ、検出器 R&D、simulation）• 皆様のご支援、ご協力、ご参加を！

T. Chujo (U. Tsukuba)

90

謝辞
•

この講演スライドを作成するにあたり、以下の方々から多くの有用なスライドを拝借いたしました。ここに感謝申し上げます。

• 佐甲博之さん (JAEA)• 北沢正清さん (大阪大)• 小沢恭一郎さん (KEK)✓ 参考• 原子核研究 (2015) 新しい潮流「J-PARCでの重イオン衝突によるQCD相構造研究への道筋」佐甲博之、北沢正清 共著•

研究会「J-PARCにおける重イオン衝突実験が拓く新しい物理」（KEK, Nov. 2014）の講演スライド