QGPプロジェクト〜研究の潮流〜

宇宙史研究センターQGP班
三明康郎!1クォーク・グルオンプラズマ（QGP）とは✓ハドロンの構造；• ハドロン（陽子、中性子や中間子）は、
1fm程度の大きさを持ちクォークと媒
介粒子グルオンから構成されている。

✓大きさを持つハドロンを狭い空間に多重発生させると（高温・高密度状態）、ハドロンが連結した状態が起こる？

• クォーク・グルオンが比較的大きな体
積中を自由に飛び回る状態が実現する➡クォーク・グルオンプラズマ状➡宇宙初期、中性子星内部、、、
三明＠宇宙史研究センター!2

実験室におけるQGPの生成と期待される性質
高エネルギー原子核・原子核衝突
3
QGP ⇥ 2 [GeV/fm ]< nq,q̄ > ⇥

QGP

⇥

2GeV
⇥5
0.4GeV< mT >
1
⇥q =
n⇤qq
1
= 0.5 [fm]⇥5 0.4
⇥q ⇤ Rsystem

4[fm2 ]
⇤N N
⇥
⇥ 0.4
⇤qq ⇥
3 3
9

QGP
✓クォークレベルの統計力学的性質✓クォークレベルの流体力学的性質➡QGPの物性を調べるのが目的➡初期宇宙進化や中性子星構造への影響

三明＠宇宙史研究センター→新物質QGPの物性、特に相構造を調べる!3

２大実験施設：
米国BNL-RHIC vs 欧州CERN-LHC

米国ブルックヘブン国立研究所(BNL)
RHIC加速器(2000-)
全周3.8km
SNN=10-200 GeV Au+Au
三明＠宇宙史研究センター

欧州共同原子核研究機構(CERN)
LHC加速器(2009~)
全周27km世界最大・最高エネルギー
SNN=2.76, 5.5 TeV Pb+Pb✓QGP生成を疑う研究者は恐らくいない。

!4

よくわかっていないけど、QGP物性に関わる
２大トピックス①流体力学的振舞〜QGPの粘性〜②ジェットクエンチ〜密度とdE/dx〜!5

①流体力学による理解
流体力学計算による時間発展〜粘性などQGP物性〜

初期状態

Py

Z

Re
pl ac
an tio
e n

終状態

Pz

比較

Px

Y
X
2

座標空間

2

y
x
⇤
ecc = ⇥ 2
2
y +x

運動量空間

p2y p2xv2 = ⇥ 2⇤2
py + px✓初期状態と終状態両方を実験的に決定可能

三明＠宇宙史研究センター!6

大きな方位角異方性 v2
PHENIX PRL 98(2007)162301
Au+Au 200 GeV

方位角異方性/クォーク数

完全流体力学計算

横運動エネルギー/クォーク数-

クォーク数 (nq) スケーリング→パートンレベルで異方性が生成✓大きな楕円的方位角異方性 (v2) ＋完全流体力学計算- 極めて早い thermalization〜 0.6 fm/c
課題１；なぜこんなに早く熱化できるのか？（初期状態は？）- 完全流体（粘性なし）で良く説明！
課題２；定量的に粘性は？（QGP物性は？）三明＠宇宙史研究センター!7

現実の原子核・原子核衝突で起こっている揺らぎからQGPの粘性の情報
現実の原子核・原子核衝突では核子数と衝突確率が有限であることから、揺らぎが発生→高次のフーリエ成分
Slide from Marco vanLeeuwen
Schenke and Jeon, Phys.Rev.Lett.106:042301

ALICE, PLB, 708, (2012)

η/s = 0時間発展

η/s = 0.16

三明＠宇宙史研究センター!8

非常に小さい比粘性（η／s）
PHENIX; PRL107,252301 (2011), STAR; QM2012

Gale et al. PRL110,012302 (2013)✓With shear viscosity,( s )LHC( s )RHIC
三明＠宇宙史研究センター

0.2
0.12

1.7
!9

Shear+bulk viscosity✓Better fitting( s )LHC( s )RHIC
三明＠宇宙史研究センター

0.095
0.06

1.6
!10

QGPはサラサラな物質✓ 比粘性(ずれ粘性/エントロピー)• η/s ~ 0.20 at LHC, η/s ~ 0.12 at RHIC

✓ QGPは、どの物質よりも粘性が小さい“サラサラ”な物質！？

4π x η/s

三明＠宇宙史研究センター!11

②ジェットクエンチ
QEDにおけるエネルギー損失〜 Bethe-Bloch Eq.〜
http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/

Ne
+ze
∝β-2
∝ lnγ
z 2 NedEBethe
2
⇥
ln(
)
2
dx

min.ion.

~β• 入射荷電粒子と物質中の原子電子がクーロン相互作用✓ 原子電子を電離することによって、入射粒子はエネルギー損失✓ エネルギー損失量は物質の電子密度(Ne)に比例✓ エネルギー損失量は入射粒子のz2に比例• エネルギー損失量から物質の電子密度を測定できる→「プローブ」
三明＠宇宙史研究センター!12

by the particle per unit-time (related to the transport coefficient as - ≈ q̂ v) – and)g *gg ) ≃ 0.45 fm (the quark mean-free-path ismomentum drag coefficient .D .
/Cthe
F = 9/4 is the ratio of gluon-to-quark colouris therefore q̂ ≃ m2D /(g ≃ 2.2 GeV2 /fm. Notebeenobtained witha LO expression
in loss's forMechanisms
of in-medium
energyHigher-order scatterings (often encoded in a
ault
generalway,
the totalenergyin muchlargervaluesof q̂. loss of a particle traversing a medium is the sum of
4lisionalthe
anddynamics
radiativeofterms= &Ecoll + &Erad . Depending on the kinematic
erisingheavy: &E
non-relativistic
5 in a plasma with temperature T mainly byion, a (colour)chargelose energy
aversing
the plasma,is canconnected,
via theEino mechanisms6 .
T 2 /- = T /(M .D )(3)

QCDにおけるエネルギー損失

E-!E
ent - – theEaverage momentum
squared gained
ed to the transport coefficient as - ≈ q̂ v) – andE.
!E

gy loss!E

Collisional

E-!E

of a particle traversing a medium is the sum of
X= &Ecoll + &Erad . Depending on the kinematic (medium)gy5 in a plasma with temperature T mainly byE1. 3. Diagrams for collisional (left) and radiative (right) energy losses of a quark of energy
raversing a quark-gluon medium.

E!E

Collisional energy loss through elastic scatterings with the medium constituents(Fig. 3, left) dominates at low particle momentum. The average energy loss inE

Radiative

E-!E by powers of ! c ≃ 0.2 GeV fm (other useful
2 equalities:
For unit conversion, multiply
2−2
10 mb = 1 fm , and 1 GeV = 0.389 mb).
X
In addition, synchrotron-,Čerenkov- and transition-radiation energy losses can take place(medium)
respectively if the particle interacts with the medium magnetic field, if its velocity is greater
thanthe local phase velocity of light, or if it crosses suddenly from one medium to another.
radiative (right) energy losses of a quark of energy
Also, plasma instabilities may lead to energy losses. Yet, those effects – studied e.g. in [11,12, 13, 14] for QCD plasmas – are generally less important in terms of the amount of Eloss .
Note that if the energy of the particle is similar to the plasma temperature, E ∼ O(T ), theparticle can also gain energy while traversing it.
asticthatscatterings
with themediumconstituentsNotethe separation
is notso clear-cut
since the diagrams assume well-defined asymprticle
momentum.
The
averageenergylossstillin be in the medium and further rescatter.
totic out states, but the outgoing particles may

E✓様々な理論• 衝突型損失• 放射型損失

wers of ! c ≃ 0.2 GeV fm (other useful equalities:mb).
nd transition-radiation energy losses can take placeh the medium magnetic field, if its velocity is greater
if it crosses suddenly from one medium to another.
nergy losses. Yet, those effects – studied e.g. in [11,erally less important in terms of the amount of Eloss .
s similar to the plasma temperature, E ∼ O(T ), theersing it.
cut since the diagrams assume well-defined asympes 三明＠宇宙史研究センター
may still be in the medium and further rescatter.

➡Bethe-Heitler regime➡LPM regime➡“dead-cone”effect

2
C
q̂
L
S R

pQCD

理論の示唆するところ放射型損失が重要期待される効果;•高横運動量ハドロンの減少•back-to back相関の崩れ•jet fragmentationの変貌
softer, larger multiplicity,
angular broadeningなどなど

Egluon >Equark >Echarm >Ebottom !13

Jet quenching3-perturbatively into a set of final-state hadrons. The characteristic colliray of hadrons resulting from the fragmentation of an outgoing parton isjet”.

QGPの「密度」の測り方✓AA衝突で２つのパートンがHard Scatt. を起こす

• 一つは真空に飛び出しジェットを生成し、• 他方は、QGP中を突き抜ける際に特徴的なエネルギー損失を受ける✓現れる現象；• ジェットの消失／減衰• 高横運動量粒子の減少
quenching” in a head-on nucleus-nucleus collision. Two quarks suffer a hard scatgoesout directly
to the vacuum, radiatesin
a few
gluons and hadronises,
the other“Jet
quenching”
nucleusジェット成分の変化？
•
gh the dense plasma created (characterised by transport coefficient q̂, gluon density
nucleus collision.

nd temperature T ), suffers energy loss due to medium-induced gluonstrahlung andments outside into a (quenched) jet.
三明＠宇宙史研究センター

!14

0

)

高横運動量粒子が減少する現象✓pp衝突の重ね合わせと比較

3

10

Nuclear Modification Factor;

Au-Au > +0 X @ 200 GeV [0-10%]

2

10

0-10%

p-p > +0 X @ 200 GeV = T AA

10

RAA =

0-10%
NLO = T AA [CTEQ6, KKP, µ =p -2p ]
T
T
i

1

T

1/[2+ p ] d2N/dp dy (GeV/c)-2

Phenix; P.R.L. 91, 232301 (2008), PRD76,051106(2007)[W.Vogelsang]✓AA中心衝突では高横運動量領域で「減

10-1
10-2

T

dnAA /dpT dy”hot/dense QCDmedium”=”QCD vacuum”
Nbinary · dnpp /dpT dy

少」

-3

10

✓dAuではなく、AuAuで見られること

10-4
10-5

からJet Quenchか？

pp

10-6
10-7
10-8
-9

10

0

AA

Central
2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

p (GeV/c)T

PHENIX in peripheral (left) and central (right)
the (TAA -scaled) pp → +0 + X cross section (cir(curves
and yellow band) [119].
三明＠宇宙史研究センター!15

エネルギー損失量
PRC90(2014)14909
RHIC (200GeV)
Au+Au

q̂

1.2 ± 0.3 [GeV2 /fm]

LHC (2.76TeV)
Pb+Pb✓３次元理想流体力学模型による時間発展計算• Glauber w. Wood-Saxonを仮定• RHIC Au+Au central collision• LHC Pb+Pb central collision✓RHICからLHCで約２倍に• グルオン密度比〜２に対応！？

q̂

2.2 ± 0.5 [GeV2 /fm]q̂cold nuclei
三明＠宇宙史研究センター

0.02 [GeV2 /fm](q̂)LHC(q̂)RHIC

2.2
1.2

1.8

ch
( dN
dy )LHC

1584
=
dNch
687
( dy )RHIC
!16

2

R AA

パートン質量による違い
1.4
D mesons (ALICE) 8<p <16 GeV/ c , |y |<0.5
T
Non-prompt J/ψ (CMS Preliminary)
6.5<p <30 GeV/ c , |y |<1.2 CMS-PAS-HIN-12-014
T(empty) filled boxes: (un)correlated syst. uncert.

1.2
1Djordjevic et al. Phys.Lett.B 737 (2014) 298
D mesons
Non-prompt J/ ψ
Non-prompt J/ ψ with c quark energy loss

0.8

Bottom0.650-80%*

0.4
40-50%
30-40%

0.2

Charm
20-30%
10-20%(*) 50-100% for non-prompt J/ ψ

0
0

50

100

ALI−DER−93729

三明＠宇宙史研究センター

150

200

250

300

Djordjevic, GLV-based, arXiv:1307.4702

Pb-Pb, s NN = 2.76 TeV✓B中間子からのJ/ψとD中間子のRAAを比較• D中間子; charmを含む• B中間子;bottomを含む✓理論予測通り
Egluon >Equark >Echarm >Ebottom

0-10%

350

400

〈N part〉!17

ジェットで観測したエネルギー損失

Path Length : L

筑波大学横山広樹氏博士論文より

E

2
C
q̂
L
S R

?!
✓乞うご期待！
三明＠宇宙史研究センター!18

研究の流れ：
なぜRHICからLHCへ
RHIC

LHC

√ sNN (GeV)

200

5500

T/Tc

1.9

3.0-4.2ε(GeV/fm3)

5

15-60

τQGP (fm/c)

2-4

>10

✓LHCをRHICと比べると、
๏到達温度やエネルギー密度が数倍大きい
๏ジェットの生成量（数桁）
三明＠宇宙史研究センター→粘性やdE/dxのエネルギー密度依存性!19今後）相構造の理解を目指して
LHC
RHIC

J-PARC

Illustration: Alan Stonebraker✓加速器の進化／建設が不可欠
MachineBeam+Target

Ecm [GeV]

1987 -

米国・BNL・AGS

Si+Au

5A

1992 -

米国 BNL・AGS

Au + Au

4A

2000 -

米国・ BNL・ RHIC

Au + Au

130A - 200A

2011 2025

欧州・CERN•LHC
独・FAIR

Pb+Pb
p, C, Ca ,,, Au

2900-6300A
2-5A

2023??

露・NICA、中・HIAF、
日・J-PARC

p,,,U?

4 - 11A、( )、2-6.2A

三明＠宇宙史研究センター!20

CZ bebmr hk >gmbikhmhg

p-Linac

SIS18

Fhg O l Zk a8 C>FOSIS100/300

CBM?J8 C>FO AZr+/
Bqi kbf gm!
lKK ; 0 + 3 D S
PmZkml bg 0.03
?J ? Zfl• /.7-l >n ni mh // D S-n• /.7-l * Z* ,,, ni mh /2 D S-n• /.//-l i ni mh 07 D S
三明＠宇宙史研究センター

100 m

Slides shown by Nu Xu, Tsukuba, March 26, 2018

!21

Bqi
kbf
gml
Zm
KF
>
露

BB ; 2 +// D

S

BM@N

Kn ehmkhg

JMA

Kn ehmkhg+[Zl ] Fhgheeb] k > bebmr &KF >'[http://mpd.jinr.ru/wp-content/uploads/2016/04/MPD_CDR_en.pdf]
三明＠宇宙史研究センター

Slides shown by Nu Xu, Tsukuba, March 26, 2018!22

Eb a Fgm glbmr >e kZmhk CZ bebmr &0.01'
Fragment Separator and Spectrometer

DR Spectrometer

CEE
Setup for
Hypernuclear Study

Mass and Lifetime Spectrometers

In-ring Reaction SpectrometerGas-filled Recoil Separator

Low Energy
Irradiation Terminal

Kn Un

TSR

Low Energy Spectrometer

Prfihlbnf h ma QhfhgZ Z

gm k hk ma Eblmhkr h ma Rgbo kl

三明＠宇宙史研究センター

Qlndn[Z Rgbo klbmr* JZk a 04

05* 0./6

21-25

Slides shown by Nu Xu, Tsukuba, March 26, 2018!23

400 MeV H- Linac

J-PARCにおける重イオン加速（計画中）

3 GeV Rapid Cycling
Synchrotron (RCS)

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

HadronExperimental
Hall (HD)

LHC
RHIC

J-PARC✓√sNN = 2-6 GeV✓108Hzの高衝突レート✓LHC, RHICで探索できないρ/ρ0~5-10の高密度状態の研究
三明＠宇宙史研究センター

Illustration: Alan!24

課題１；初期状態の解明✓なぜこんなに早く熱化した

QGP, Yagi, Hatsuda, YM

QGP状態ができるのか？

✓そもそも初期状態は？
➡Gluon saturation?
➡Color Glass Condensate状態？

✓高エネルギーではグルオンが大量に生成→どこかで飽
和するはず

Qps
QA
s

xg(x, Q2s )s
R2
Axg(x, Q2s )s(r0 A1/3 )2

三明＠宇宙史研究センター• Gluon saturationの明確な
A1/3

証拠？
• 原子核の方が見つけやすい!25

初期状態解明に向けたR&D（中條）✓Small xのフロンティア• LHC; √sが最高• yが大きく、ptが小さい

Focal
Hadron測x

2pt
exp( y)s➡超前方におけるフォトン測定✓超高粒子密度環境下の測定➡超高細電磁カロリメータ開発(Focal)✓Si - W sampling cal.
• LG；1x1cm pad (analog)• HG；30x30μm (digital)✓Mini-Focal test 7月〜9月
三明＠宇宙史研究センター!26

FoCal R&D~2016 PS, SPS
4セグメント実験✓2018版 Mini-Focal• APV読み出し回路系改善• ２０枚、3モジュール➡出来ればALICE超前方環境下でも測定（50-100GeVのパイゼロ検出）
三明＠宇宙史研究センター!27課題２；相構造の理解✓RHIC STAR実験における
S1
BE

ビームエネルギースキャン
S2
BE
ed
Fix
t
ge
Tar

• 臨界点探索• 高次の揺らぎ、v1, v2, K/π✓次期加速器・実験計画を左右する重要な探査実験

Colliderで強度不足でもFixed target実験も！
三明＠宇宙史研究センター!28

臨界点探索Z. Xu, ICPAQGP2015

inner Time Projection Chamberendcap Time Of Flight
Event Plane Detector

BES1

BES2

✓√s〜10 - 20 GeV前後に種々の信号において特徴的変化！？
➡そこに何かありそう！
三明＠宇宙史研究センター!29揺らぎによる臨界点探索（江角）M.A.Stephanov, PRL107,052301(2011)

臨界点
を示唆？
Net proton数の4次の揺らぎ✓相転移によると、臨界点付近では相関長が伸びる• 揺らぎが変化する！
➡Cumulant 1-4 ; mean, sigma,
skewness, kurtosis✓より高感度の揺らぎ観測のために、高次のモーメントを求める計算方法を新提案➡ T.Nonaka, S.Esumi et.al.,
PRC95,064912(2017)• 200GeVにおいて６次のモーメントを初めて測定➡野中俊宏氏博士論文
三明＠宇宙史研究センター!30

QGP物理でわかったこと、わかってないこと✓わかったこと；• QGP生成とQGP物性の手がかり➡流体力学的理解➡特徴的エネルギー損失の様子✓わかってないこと；• なぜこんなに早く熱化できるのか？（初期状態は？）➡LHC実験FoCalプロジェクト• QCD相転移の構造（臨界点、次数）➡RHIC STAR実験Beam Energy Scan

✓将来；J-Parc, Fair, HIAF, NICA
三明＠宇宙史研究センター

!31

32

RHIC-STAR実験(2019-2020)とJ-PARC重イオン実験(2023-)• 物理目標– 衝突エネルギー走査実験(@RHIC-STAR実験)や高ビーム輝度を用いた
重イオン実験(@J-PARC)による臨界点の探索、相構造の研究
RHIC-STAR実験 (2019-2020)• 日本グループの新規参加. 衝突反応面検出器の建設• 揺らぎ、集団運動の測定. これまでの10倍の統計
J-PARCでの重イオン実験• 2023年の開始を目指す.
• ρ/ρ0~ 5-10の高密度物質の研究.

臨界点
を示唆？

J-PARC
RHIC-STAR実験
12カ国、56機関、590人からなる
国際共同実験

X. Luo, QM2015

Net proton数の4次の揺らぎSTAR-BES-IICM）

大学院生向けのQGPの教科書！

。
す
ま す
え ま
買 い
も て
で 出
n
o も
z
a
版
m
A 国語
中

三明＠宇宙史研究センター!33

QGP生成の傍証１；エネルギー密度✓Bjorkenの描像ty=

1 E + plln()
2 E − pl⎧ E = mt ⋅ cosh y⎨⎩ pl = mt ⋅sinh y

固有時間τ

y=

1 1+ β lpln() ∵ βl = lE
2 1− β ly=z
1 t+ zln() (∵ β l = )
t
2 t−z

z

⎧t = τ ⋅ cosh y⎨⎩ z = τ ⋅ sinh yπＲ２dtdz = τdτdy
dz = τ dτdz
三明＠宇宙史研究センター(∵t ≈ τ @y ≈ 0 )• ローレンツ収縮のために原子核衝
突は短時間の間に起こり、その短時間にハドロンの多重発生が起こ
るが、固有時τ以後、それらは自由粒子として飛び出す。

• 到達エネルギー密度の推定✓到達エネルギー密度• ＱＧＰ生成に十分な値

1 1 dE T
εBj = 2πR cτ 0 dy
≈ 4.6GeV/fm

3> εc ≈ 0.6 −1.2GeV/fm

3!34

QGP生成の傍証２；クォークの化学平衡
gi
ni =
2 2

⇥
0

2

p dp
(E
µ
)/T
i
i
e
±1

✓様々な種類のハドロンの生成量比が「温度」と「化学ポテン
シャル」というたった２つのパラメーター
で説明できた！

✓クォークの化学平衡を仮定した統計模型と測定データが良い一致• 化学平衡時の温度（~180MeV）は予想される相転移点
三明＠宇宙史研究センター付近!35

バリオン異常生成
Phenix; P.R.L. 91(2003)172301✓ 高横運動量領域での p/π 比に異常を発見✓ Au+Au周辺衝突では p/π 比は、eeやpp衝突と同等であるが、✓ Au+Au中心衝突では p/π 比は非常に大きい❙

Fragmentation process では
ee/ppに見られるように np < nπ

✓ Au+Au衝突では別の生成機構が！？
ê
Quark Recombination Model(Quark Coalescence Model)
三明＠宇宙史研究センター!36

クォーク融合反応(Quark Coalescence)✓QGP特有のハドロン生成
メカニズム？

ハドロン

中間子の運動量分布(2q)；p
W M ( pt ) ≈ CM ⋅ w ( t 2 )2陽子の運動量分布(3q)；p
W B ( pt ) ≈ CB ⋅ w ( t 3 )3€w(pt)；€

QGP

ユニバーサルなクォークの運動量分布
ptと共に急速に減少する分布の場合、陽子のpt/3の方が有利になる場合がある

三明＠宇宙史研究センター!37注目される方位角異方性測定✓反応関与部と非関与部• 核子の運動量に比べビーム運動

反応面

量が圧倒的に大きい• 相対論的効果により極めて短い
衝突時間✓方位角異方性とは• 非中心衝突における反応関与部
アーモンド型の反応関与部

N (φ ) = N 0 {1+ 2v 2 cos(2φ )}反応面に対する方位角
三明＠宇宙史研究センター

は衝突軸に対し異方性• アーモンド型！

✓放出粒子の運動量の方位角異方性を測定• 座標空間の方位角異方性が生成粒子の運動量空間異方
性に転換

!38

楕円率に比例した方位角異方性
2

2

x −y
εecc = 22x +ypx2 − py2
v2 = 2px + py2
Phenix; PRL 89(2002)212301€✓中心衝突から周辺衝突まで様々な楕円率に対して方位角異方性を測定✓楕円率に比例した方
v2

位角異方性
ε

– è確かに座標空間から運動量空間の異方性に転換された

三明＠宇宙史研究センター!39

QGP生成の証拠３；方位角異方性
Phenix;PRL91, 182301 (2003)✓粘性がない完全流体理論模型と良い一致• 衝突後0.6fm/cで熱化• 20 GeV/fm3✓衝突後0.6 fm/cで熱化出来るメカニズムは？
– QGP！
– 粘性がない!?
三明＠宇宙史研究センター!40

QGP生成の証拠４；クォークの統計力学的分布✓クォーク融合反応の証拠→ Quark Number Scaling
Quark Number Scaling

中間子の運動量分布(2q)；

dN M
2
2
∝ w = (1+ 2v 2,q cos2φ )dφ≈ (1+ 4v 2,q cos2φ )クォーク数比；2:3
陽子の運動量分布(3q)；€dN B∝ w 3 = (1+ 2v 2,q cos2φ ) 3dφ≈ (1+ 6v 2,q cos2φ )w；クォークの方位角分布€
三明＠宇宙史研究センターw ∝ (1+ 2v 2,q cos2φ )!41

Probeとしての「ジェット変貌」
jet

jet
3

p3
p1

jet

• 運動学的に明確• back-to-back scatt.

p2p4➡片方からもう一方がわかる
p3 = p4

jet
4
jet
4

jet
4

✓2体散乱

=

jet
4

三明＠宇宙史研究センター✓プローブ；
jet
3

dE
·
dx

• エネルギーのわかったパート
x

jet
3

ンが物質中を通過する際のエネルギー損失を測定• QGP特有のエネルギー損失？
!42

Jet quenching3-perturbatively into a set of final-state hadrons. The characteristic colliray of hadrons resulting from the fragmentation of an outgoing parton isjet”.

ジェット変貌；Jet Quench✓AA衝突で２つのパートンがHard Scatt. を起こす

• 一つは真空に飛び出しジェットを生成し、• 他方は、QGP中を突き抜ける際に特徴的なエネルギー損失を受ける✓現れる現象；• ジェットの消失／減衰• 高横運動量粒子の減少
quenching” in a head-on nucleus-nucleus collision. Two quarks suffer a hard scatgoesout directly
to the vacuum, radiatesin
a few
gluons and hadronises,
the other“Jet
quenching”
nucleusジェット成分の変化？
•
gh the dense plasma created (characterised by transport coefficient q̂, gluon density
nucleus collision.

nd temperature T ), suffers energy loss due to medium-induced gluonstrahlung andments outside into a (quenched) jet.
三明＠宇宙史研究センター!43

QEDにおけるエネルギー損失〜 Bethe-Bloch Eq.〜
http://pdg.lbl.gov/2008/reviews/

Ne
+ze
∝β-2
∝ lnγ
z 2 NedEBethe
2
⇥
ln(
)
2
dx

min.ion.

~β• 入射荷電粒子と物質中の原子電子がクーロン相互作用✓ 原子電子を電離することによって、入射粒子はエネルギー損失✓ エネルギー損失量は物質の電子密度(Ne)に比例✓ エネルギー損失量は入射粒子のz2に比例• エネルギー損失量から物質の電子密度を測定できる→「プローブ」
三明＠原子核物理特論!44

ergy losses in QED

QEDにおけるエネルギー損失

an illustrative example, we show in Fig. 4 the stopping power of muons in copAt low and high energies, the collisional (aka “Bethe-Bloch”) and the radiativergy losses dominate respectively.

〜Bresmsstrahlung〜

Stopping power [MeV cm2/g]

荷電粒子のエネルギー損失；制動放射も！

衝突型✓Bethe-Bloch
Bremsstrahlungµ+ on Cu
µ3

10LindhardScharff

100

Bethe-Bloch

放射型✓Bethe-Heitler(thin; L<<λ)✓LandauPomeranchukMigdal(thick; L>>λ)Radiative

AndersonZiegler

Eµc
Minimum
ionization

NuclearlossesRadiative
lossesRadiative
effects
reach 1%

Without 0
1
0.001

0.01

0.1

1

10

0.1

1

10

100

1

[MeV/c]

12

100

1000

10 4

10 5

10 6

10

100

1

10

100

[GeV/c]Muon momentum[TeV/c]✓

4. Stopping
power, −dE/dl, for positive muons in copper asa function of 12 = p/Mc (ordE/dxの測定から物性情報→「プローブ」
mentum p). The solid curve indicates the total stopping power [15].

• 例）QEDプラズマ中のdE/dx測定

三明＠宇宙史研究センター!45

by the particle per unit-time (related to the transport coefficient as - ≈ q̂ v) – and)g *gg ) ≃ 0.45 fm (the quark mean-free-path ismomentum drag coefficient .D .
/Cthe
F = 9/4 is the ratio of gluon-to-quark colouris therefore q̂ ≃ m2D /(g ≃ 2.2 GeV2 /fm. Notebeenobtained witha LO expression
in loss's forMechanisms
of in-medium
energyHigher-order scatterings (often encoded in a
ault
generalway,
the totalenergyin muchlargervaluesof q̂. loss of a particle traversing a medium is the sum of
4lisionalthe
anddynamics
radiativeofterms= &Ecoll + &Erad . Depending on the kinematic
erisingheavy: &E
non-relativistic
5 in a plasma with temperature T mainly byion, a (colour)chargelose energy
aversing
the plasma,is canconnected,
via theEino mechanisms6 .
T 2 /- = T /(M .D )(3)

QCDにおけるエネルギー損失

E-!E
ent - – theEaverage momentum
squared gained
ed to the transport coefficient as - ≈ q̂ v) – andE.
!E

gy loss!E

Collisional

E-!E

of a particle traversing a medium is the sum of
X= &Ecoll + &Erad . Depending on the kinematic (medium)gy5 in a plasma with temperature T mainly byE1. 3. Diagrams for collisional (left) and radiative (right) energy losses of a quark of energy
raversing a quark-gluon medium.

E!E

Collisional energy loss through elastic scatterings with the medium constituents(Fig. 3, left) dominates at low particle momentum. The average energy loss inE

Radiative

E-!E by powers of ! c ≃ 0.2 GeV fm (other useful
2 equalities:
For unit conversion, multiply
2−2
10 mb = 1 fm , and 1 GeV = 0.389 mb).
X
In addition, synchrotron-,Čerenkov- and transition-radiation energy losses can take place(medium)
respectively if the particle interacts with the medium magnetic field, if its velocity is greater
thanthe local phase velocity of light, or if it crosses suddenly from one medium to another.
radiative (right) energy losses of a quark of energy
Also, plasma instabilities may lead to energy losses. Yet, those effects – studied e.g. in [11,12, 13, 14] for QCD plasmas – are generally less important in terms of the amount of Eloss .
Note that if the energy of the particle is similar to the plasma temperature, E ∼ O(T ), theparticle can also gain energy while traversing it.
asticthatscatterings
with themediumconstituentsNotethe separation
is notso clear-cut
since the diagrams assume well-defined asymprticle
momentum.
The
averageenergylossstillin be in the medium and further rescatter.
totic out states, but the outgoing particles may

E✓様々な理論• 衝突型損失• 放射型損失

wers of ! c ≃ 0.2 GeV fm (other useful equalities:mb).
nd transition-radiation energy losses can take placeh the medium magnetic field, if its velocity is greater
if it crosses suddenly from one medium to another.
nergy losses. Yet, those effects – studied e.g. in [11,erally less important in terms of the amount of Eloss .
s similar to the plasma temperature, E ∼ O(T ), theersing it.
cut since the diagrams assume well-defined asympes 三明＠宇宙史研究センター
may still be in the medium and further rescatter.

➡Bethe-Heitler regime➡LPM regime➡“dead-cone”effect

2
C
q̂
L
S R

pQCD

理論の示唆するところ放射型損失が重要期待される効果;•高横運動量ハドロンの減少•back-to back相関の崩れ•jet fragmentationの変貌
softer, larger multiplicity,
angular broadeningなどなど

Egluon >Equark >Echarm >Ebottom !46

0)

高横運動量粒子の減少✓pp衝突の重ね合わせと比較

3

10

Nuclear Modification Factor;

Au-Au > +0 X @ 200 GeV [0-10%]

2

10

0-10%

p-p > +0 X @ 200 GeV = T AA

10

RAA =

0-10%
NLO = T AA [CTEQ6, KKP, µ =p -2p ]
T
T
i

1

T

1/[2+ p ] d2N/dp dy (GeV/c)-2

Phenix; P.R.L. 91, 232301 (2008), PRD76,051106(2007)[W.Vogelsang]✓AA中心衝突では高横運動量領域で「減

10-1
10-2

T

dnAA /dpT dy”hot/dense QCDmedium”=”QCD vacuum”
Nbinary · dnpp /dpT dy

少」

-3

10

✓dAuではなく、AuAuで見られること

10-4
10-5

からJet Quenchか？

pp

10-6
10-7
10-8
-9

10

0

AA

Central
2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

p (GeV/c)T

PHENIX in peripheral (left) and central (right)
the (TAA -scaled) pp → +0 + X cross section (cir(curves
and yellow band) [119].
三明＠宇宙史研究センター!47

near side

ジェットの消失／減衰
Star; P.R.L. 91, 72304 (2003)
away side
pTtrig = 4~6 GeV/c × pTassoc > 2 GeV/c✓ジェット消失の証拠✓高横運動量粒子に対する方位角相関；❙

pp ; 明確なback-to-back❙dAu; ppと同様❙

Au+Au; 高横運動量側(sameside)では同様だが、相反側では消失！

pedestal and flow
subtracted❘

効果がdAuでは見られなかったことから、initial stage
ではなく final stageの効
果❘

Au+Au衝突で作られたQGP
中での大きなエネルギー損
失のためか

三明＠宇宙史研究センター!48