J-PARCにおける高密度バリオン物質の研究計画(J-PARC-HI)
佐甲博之(原子力機構先端基礎研究センター/筑波大学数理物質科学研究科)
for J-PARC-HI Collaboration
TCHoU Workshop for the Division of Quark Nuclear Matters (24 Mar. 2022)

Outline1. 物理目標
2. J-PARC-HI計画の概要
3. 陽子・原子核衝突実験の状況
4. まとめと展望

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J-PARC-HI Collaboration

132 members :Experimental and Theoretical Nuclear Physicists and Accelerator Scientists

ExperimentJ. K. Ahn, S. Ashikaga, O. Busch, M. Chiu, T. Chujo, P. Cirkovic, T. Csorgo, D. Devetak, G. David, M. Djordjevic, S. Esumi, P. Garg, R.
Guernane, T. Gunji, T. Hachiya, H. Hamagaki, S. Hasegawa, B. S. Hong, S. H. Hwang, Y. Ichikawa, T. Ichisawa, K. Imai, M. Inaba, M.
Kaneta, H. Kato, B. C. Kim, E. J. Kim, X. Luo, Y. Miake, J. Milosevic, D. Mishra, L. Nadjdjerdj, S. Nagamiya, T. Nakamura, M. Naruki,K. Nishio, T. Nonaka, M. Ogino, K. Oyama, K. Ozawa, T. R. Saito, A. Sakaguchi, T. Sakaguchi, S. Sakai, H. Sako, K. Sato, S. Sato, S.
Sawada, K. Shigaki, S. Shimansky, M. Shimomura, M. Stojanovic, H. Sugimura, Y. Takeuchi, H. Tamura, K. H. Tanaka, Y. Tanaka, K.
Tanida, N. Xu, S. Yokkaichi, I. K. Yoo
TheoryY. Akamatsu, M. Asakawa, K. Fukushima, H. Fujii, T. Hatsuda, M. Harada, T. Hirano, K. Itakura, M. Kitazawa, T. Maruyama, K.
Morita, K. Murase, A. Nakamura, Y. Nara, C. Nonaka, A. Ohnishi, M. Oka
Accelerator
E. Chishiro, H. Harada, Y. Hashimoto, N. Hayashi, K. Hirano, H. Hotchi, K. Ishii, T. Ito, M. Kinsho, R. Kitamura, A. Kovalenko, J.
Kamiya, N. Kikuzawa, T. Kimura, Y. Kondo, H. Kuboki, Y. Kurimoto, Y. Liu, S. Meigo, A. Miura, T. Miyao, T. Morishita, Y. Morita, K.
Moriya, R. Muto, T. Nakanoya, K. Niki, H. Oguri, C. Ohmori, A. Okabe, M. Okamura, P. K. Saha, K. Sato, Y. Sato, T. Shibata, T.
Shimokawa, K. Shindo, S. Shinozaki, M. Shirakata, Y. Shobuda, K. Suganuma, Y. Sugiyama, H. Takahashi, T. Takayanagi, F. Tamura,J. Tamura, N. Tani, M. Tomisawa, T. Toyama, Y. Watanabe, K. Yamamoto, M. Yamamoto, M. Yoshii, M. Yoshimoto
ASRC/JAEA, J-PARC/JAEA, J-PARC/KEK, Tokyo Inst. Tech, Hiroshima U, Osaka U, U Tsukuba, Tsukuba U Tech, CNS, U Tokyo,Tohoku U, Nagasaki IAS, Kyoto U, RIKEN, Akita International U, Nagoya U, Sophia U, U Tokyo, YITP/Kyoto U, Nara Women’s U,KEK, BNL, Mainz U, GSI, Central China Normal U, Korea U, Chonbuk National U, Pusan National U, JINR, U Belgrade, Wigner RCP,KRF, Stony Brook U, Bhaba Atomic Research Centre, Far Eastern Federal U, Grenoble U
2

J-PARC-HIの目標 (I)
高密度バリオン物質の探索

QCD Phase diagram– QCD 相構造の探索• １次相転移, QCD臨界点, カラー超電導⇒イベント毎揺らぎ, レプトン対– 高密度物質性質の解明• バリオン密度、状態方程式（EOS）、流体的性質(粘性)等⇒Collective flow
→ 中性子星研究– カイラル対称性の回復• ベクトル中間子の質量変化⇒レプトン対LHC/RHIC

J-PARC-HIFAIRNICA中性子星（合体）
１次相転移境界？

J-PARC-HI3

J-PARC-HIの目標 (II)
マルチストレンジネス粒子の探索– J-PARCエネルギー：ストレンジネスの効率的な生成– 稀粒子の探索• ハイパー核, strangelet, ダイバリオン等– ハイペロン間相互作用• Femtoscopy（２粒子運動量相関）→ストレンジハドロン・クォーク物質の状態方程式（EOS）

Hypernuclei

LL correlation function

J-PARC-HI

J-PARC-HIQS+BB interaction

10102103√sNN (GeV)

A. Andronic, et al, Nucl. Phys. A 837 (2010) 65

10102

A. Andronic, PLB697 (2011) 203103 √s

NN (GeV)STAR, PRL114 (2015) 022301

4

J-PARCエネルギーにおけるバリオンストッピング
J-PARCエネルギー(~10 AGeV)におけるバリオンストッピング➢ 陽子のRapidity分布が高いピークを持つ● 高密度物質の生成（ρ～7ρ0）● 衝突系が達成する最高密度は、各衝突事象で大きな揺らぎを持つ→J-PARC-HI における超高統計で最高密度に達した事象を探索（高密度トリガー)

Net-proton rapidity distributions

JAM model calculations by Y. Nara

J-PARCにおけるQGPの生成可能性
流体（QGP）＋ハドロンカスケード (JAM)
Dynamically integrated transport model

HadronHydro+hadron

hadronHadron Fluid

Fraction of fluid（QGP)

Fluid

Baryon density

Akamatsu, Ohnishi, Kitazawa, Nara, et al, PRC98 024909 (2018)

K+/p+ データは流体成分（QGP）の導入によってのみ再現可能→J-PARCエネルギーにおけるQGPの存在を示唆
6保存電荷の事象毎ゆらぎ
J-PARC

特に高次の揺らぎ：
QCD臨界点等、相構造探索の有力なProbe(4-th order)

TheoryJ-PARC-HIの統計誤差<1% (1MHz x 1 day)√Snn (GeV)

Nu Xu, AAPPS Bulletin, 31, 2021

M.A. Stephanov,
PRL107, 052301 (2011).

４次揺らぎの低エネル
ギーにおける増加→ 臨界点の兆候？

7Collective flow

A. Ohnishi, Reimei Workshop, Aug 2016z

dv1/dy < 0 :EOSのソフト化?
Flowとantiflowのバランス？

x

初期のマターの形状→EOSに基づいた圧力勾配→粒子放出の方位角異方性

v1=<cosφ>v2=<cos2φ>

V1, V2のtransportモデルとの比較によるEOSへの制限
V1: Directed flow

V2: Elliptic flow

EOS
JAM/RQMD

JAM/RQMD

Y. Nara, A. Ohnishi, PRC 105 014911 (2022)

Y. Nara, J-PARC-HI Evening, 2021

Y. Nara, A. Ohnishi, PRC 105 014911 (2022)

レプトン対生成●

強相互作用をしない“Penetrating probe”○○

レプトン対生成の際のマターの情報を保持
質量範囲によって様々な物理の研究が可能UrQMD model

1. π0 Dalitz崩壊 + diquark対消滅による光子放出
カラー超電導の探索
2.

r, w, f 崩壊
カイラル対称性回復による質量変化

3. 熱光子（1.1～3 GeV/c2)
マターの温度測定“Caloric curve”による相転移探索→最初のJ-PARC-HI Proposal
4. チャーモニウム生成・抑制 (m>3GeV/c2)
Endres, van Hees, Bleicher, PRC 93 054901(2016)

低質量電子対10► カラー超電導(前兆現象) のシグナル
衝突初期：低温・高密度→カラー超電導相に近づく

Tc付近の低質量電子対の増大：diquarkの光子放出、またはdiquarkの対消滅
T. Nishimura, M. Kitazawa, T. Kunihiro, arXiv:2201.01963

Kunihiro+ , 2017; Nishimura+, 2021

l+lRapp+ , 2002, Hatsuda+, 2005チャームハドロン生成
チャームクォーク：高密度物質中の “重い不純物”●●

チャームハドロンのフロー● QGP中の輸送の性質● QCD近藤効果の探索
チャームバリオン生成（増大）○ ダイクォーク自由度の探索○ カラー超電導相の探索

QCD 近藤効果
低温でのq-Qの相互作用の増大→抵抗率の増加→粘性の低下（フローで観測可）
q-Q coupling constant

Shear viscosity

T. Hatsuda, 第18回理論懇シンポジウム (2005)

Yasui, Ozaki, PRD 96, 114027 (2017)

J-PARCにおける重イオン加速
p beam rate (2021) = 64kW→2.7x1013 / spill⚫ HI beam rate ~1011 Hz (世界最高強度)⚫ Elab (U) = 1-11 AGeV
⚫ sNN (U) = 1.9-4.9 GeV⚫

HI Booster Ring

HI Linacstripping

Hadron Experimental
FacilityMR

3→30 GeV (p)U66+→ 67 AMeV

3 GeV RCS(p)
0.4 → 3 GeV

p/HI

MLF

proton (existing)

strippingHI (under plan)
H- Linac: 0.4 GeV

U86+→ 735 AMeV

U92+
→ 11.2 AGeV

12

Staging Strategy (加速器)(検討中)
JAEAにおける
重イオンリニアック計画

J-PARCへ移設

Phase I
~2026
108 / spill

Phase II~ 2032
1011/ spill
Upgrade

超電導
重イオンリニアック
3GeVシンク
ロトロンへ

KEK-PS Boosterを移設

3GeVシンク
ロトロンへ
新大強度Booster建設

13

14

Staging Strategy (実験)(検討中)

Protonbeam line

E16 spectrometer

Radiation shield
Extension of the proton beam line

Beam dump

1. J-PARC-HI Phase0 :p+A experiment (E16) (2020-)
Baseline data and detector R&D for HIC
2. J-PARC-HI Phase-I
Upgraded E16
Low-rate HIC (up to ~108 Hz HI beams)

J-PARC-HIspectrometer

3. J-PARC-HI Phase-II
Large acceptance high-rate spectrometer(up to 1011 Hz HI beams)

重イオン加速器のレートとエネルギーの比較
J-PARC-HI
Phase-II

Phase-I

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J-PARC-HIにおける粒子生成
AGSで測定した粒子

Beam : 1010 Hz (Phase II)
0.1 % target→ Min-bias interaction rate
107Hz

DileptonHypernuclei

In 1 month experiment:
r,w,f→ee 109-1011
Hypernuclei 103 -1011
J/y105HSD calculations in FAIR Baseline TechnicalReport (Mar 2006)
A. Andronic, PLB697 (2011) 203

Strangelets: P. Braun-Munzinger J.Phys.G21 (1995)L1716

J-PARC E16 : p+Aにおける電子対測定 (2020年6月-)
f 中間子の原子核中における質量変化
KEK-E325

Cu

e+e- invariant mass

• Run0 (コミッショニング) 2020-2021• Run1 (本実験) 2023K. Kanno, HEF-ex 2022

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Top and bottom layers

ACMRPCp/q (GeV/c)

P88:陽子・原子核衝突での f→K+K- 測定
p+Cu: HSD modelw/ detector effects (GEANT4)
bg<1.25
p+K+p
No mass shift
w/ mass shiftTSCp-K-M2 (GeV2/c4)• 高統計の不変質量と収量の測定 (100x KEK-E325)• 原子核依存性(p+C, p+Cu, p+Pb)
J-PARC-HIにおけるハドロン測定のベースライン

Minv (GeV/c2)

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P88の検出器開発状況 (筑波大-JAEA)
Spring-8でのMRPC試験機製作(2020年)

E16におけるMRPC1-MRPC2の時間分解能~82 Hz / cm2～79 psresolutionfor each
MRPC

Start Timing Counter試験機
MPPC Scintillator (100x4x4) Amplifier

時間分解能 ～55 ps

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TOF(ns)
耐高レートMRPC試験機（2022年）

E16のアップグレードによるJ-PARC-HI Phase-I• Detector upgrades for A+A
1. MRPC-TOF for hadron ID
2. Forward SSD for mid-rapidity
coverage
3. ZCAL for centralityProton acceptance in A+A
Current E16
w/ Fwd SSDpT(GeV/c)Max. A+A interaction rate:
105 Hz• Flow, Fluctuations, Dielectron measurementsy20

J-PARC-HI Phase Iの最初のProposal
E16アップグレードによる電子対測定(2021年７月)
21► Forward trackers upgraded for high multiplicity in HIC► Lead Glass Calorimeter upgraded to Lead Tungsten (PWO4)電子対の不変質量分布（シミュレーション）
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100 days run, 0.1% sys error assumed for combinatorial background subtraction (PHENIX, ALICE)
J-PARC-HI?
P. Senger, CBM,Particles 2020, 3(2), 320335;● ~ 6% accuracy of T can be expected from Mee>1.1 GeV/c2 in the case of 150 MeV

Phase II実験 (ハドロン測定セットアップ)• Identified charged particles

SPT

2.75m

3.4m

4o2m

Targe
t

TPCCharge
veto
Neutron counter45o

Top view
Magnet yoke
MRPC-TOF

MC

y-pT Acceptance• ~4p acceptance• Silicon Pixel Tracker (SPT) (q < 4o)• TPC (q > 4o)• MRPC-TOF• Interaction Rate : <=1 MHz• Triggerless DAQ system• Centrality : Multiplicity counter + Zero-degreecalorimeter
PID with TOF
ZCAL

B=1.5T2m

3.5

1.523

Phase II 実験 (Dimuonセットアップ)• Replace TPC by:• Pb absorbers and GEM trackers• Dimuon Online Trigger• 7-layer forward and barrel Silicon PixelTrackers

SPT0.6

Pb absorber• Interaction Rate : 10 MHz• Dimuon trigger : event reduction of~3/100 at 6 lI absorber

GEMtrackers

Generated cocktail

4oh→mmg h’→mmgw→p0mm r→mmw→mmf→mm

J-PARC-HI simulation, U+U√sNN=4.5 GeV, Min-bias (54k)

Reconstructed spectrum
Blue: Signal+BG
Black: BG
Red: Signalqee>2o2o<q<80o
pT>0.1GeV/c240.6

Phase II 実験 (ハイパー核セットアップ)
Top view
MRPC-TOF
Sweeping magnet (5T)Collimator
3.4m

Closed geometry : Sweeping磁石とコリメータアクセプタンスをbeam rapidityに限定
Beamとbeam fragmentsのみ2nd dipole磁石に到達• ハイパー核の寿命と磁気モーメントの測定• 新たなハイパー核、strangelet、ダイバリオンの探索• Interaction Rate : ~100 MHz

45oTargetBeam

TPC
SPT Decay of Hyperpnucleus
fragment

2.4m

B=1.5T

Slit

4o
0.52m

3.5

1.5

Horizontal Position∝Z/A
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H. Tamura, J-PARC-HI Workshop (2018)

まとめと展望
J-PARC-HI : 世界最高強度の重イオンビームによるQCD相構造、高バリオン物質、multistrangeness物質の精密測定と探索• Fluctuations, flow, dileptons, charmed hadrons等の測定
ステージング– Phase 0: p+A at E16– Phase I : A+A at upgraded E16– Phase II: A+A with Large acceptance dipole spectrometer••••

2020年にE16 実験(p+A)開始 、 2023年に本実験開始予定
J-PARC PACに最初の実験提案を提出(2021年７月)
詳細な実験計画の検討(電子対測定等)
J-PARCハドロン施設拡張後のPhase-I実験開始を目指す
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