RHIC/LHC 実験 と その成果

志垣 賢太 （）

日本物理学会 領域 5, 理論核物理, 実験核物理合同シンポジウム“非平衡物理 – 物性物理とハドロン物理を結ぶ世界”
2013 年 3 月 27 日, 広島大学

発表概要
高エネルギー原子核衝突の物理的興味
 クォーク多体系の実験的探究
– RHIC–PHENIX, LHC–ALICE
クォーク自由度の顕在化
 量子色力学相図の探査


準静的描像と初期動的過程
 針路と戦略– 高横運動量探針 + 大立体角精密測定
→ PHENIX/ALICE 実験高度化計画

まとめ, おわりに

2013/3/27

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GeV/TeV 原子核衝突の物理的興味


強場中の素粒子多体系の挙動と相構造– 極限条件における非摂動的量子色力学
cf. 素粒子単体, 素粒子間素過程

宇宙開闢後 ~ 10−5 秒間の状態; 宇宙創成シナリオ– クォークの閉込と解放

cf. 宇宙開闢後 ~ 10−12 秒間の粒子生成と相互作用

クォーク閉込に伴うハドロン質量発現機構– カイラル対称性の自発的破れ

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cf. ヒッグス機構による素粒子質量発現機構

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量子色力学相図とクォーク物性
クォーク, グルーオン非閉込相へ
 格子量子色力学（数値計算） による予言
初期宇宙– 臨界温度 ~ 170 MeV ~ 2×1012 °C– 臨界エネルギー密度 ~ 1 GeV/fm3

エネルギー密度 （温度）

臨界温度 ~ 170 MeV

臨界点

クォーク, グルーオン非閉込相（クォーク・グルーオン・プラズマ）高エネルギー原子核衝突
ハドロン気体原子核

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色超流動？
？？
F. Karsch,
中性子星
Lect. Notes Phys. 583 (2002) 209

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バリオン密度3/17

クォーク解放の実験的探究
1980 年代： 動的過程による生成試行の黎明– 中高エネルギー中重原子核

米 LBL–BEVALAC （0.2 – 2.5 A GeV）

1990 年代： 高密度領域– 高エネルギー重原子核 （金, 鉛など）
米 BNL–AGS 欧 CERN–SPS（11 A GeV 197Au + 固定標的; 終了）（200 A GeV 208Pb + 固定標的; 終了）

2000 年代： 高温 （エネルギー密度） 領域– 正面衝突型重原子核加速器によるクォーク再解放
米 BNL–RHIC
 欧 CERN–LHC

2013/3/27（100 + 100 A GeV 197Au + 197Au; 稼働中）
（2.8 + 2.8 A TeV 208Pb + 208Pb; 稼働中）

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Relativistic Heavy Ion Collider at BNL

超伝導シンクロトロン; 周長 3.8 km; 両方向独立
 重原子核 100 A GeV, （偏極） 陽子 250 GeV
– Au+Au/Cu+Cu/U+U/Cu+Au/d+Au/p+p/（p+Au/）…


4 つ （内 2 つは終了） の相補的実験
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新たな物質相の発見


パートン由来： クォーク自由度顕在化, 色価遮蔽
– 構成クォーク数スケーリング則– J/Ψ 収量抑制稠密： クォークのエネルギー損失
The matter is dense– ジェット （高横運動量ハドロン）
収量抑制The matter isstrongly coupled– ジェット形状変化The matter may meltand/or regenerate J/ψ’s
強結合： 完全流体– 流体力学で記述される集団運動高エネルギー密度： 高温熱輻射– 熱輻射 （仮想） 光子
The mattermodifies jets

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The matter is hot

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クォーク自由度の顕在化


生成粒子の集団運動; 楕円的方位角異方性– 大きな異方性 → 早期熱化, 強結合


構成クォーク数 （バリオン 3, 中間子 2） スケーリング

PHENIX (A. Adare et al.),PRL 98, 162301 (2007)
Au+Au 200 GeV
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光子スペクトルによる温度測定

金原子核相互衝突：– “熱輻射” 成分を検出– 勾配 ~ 221 ± 19 ± 19 MeVcf. 陽子相互衝突：– 量子色力学計算と一致

PHENIX (A. Adare et al.), PRL 104, 132301 (2010)
NLO pQCD (W. Vogelsang)

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最高到達温度の見積
初期温度 > 時間平均温度 ~ 勾配 ~ 221 MeV
 300–600 MeV （模型依存だが 2 倍以内で一致）
– 流体力学模型による記述


熱化時間 0.15–0.6 fm/c

LHC–ALICE では輻射勾配 ~ 304 ± 51 MeV

輻射勾配PHENIX (A. Adare et al.),
PRC 81, 034911 (2010)

相境界温度

ALICE (M. Wilde et al.),arXiv:1210.5958v2 [hep-ex] (2012)

cf. 相境界温度 ~ 170 MeV
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RHIC
RHIC → LHC

量子色力学相図の探査“自由気体”？
“完全流体”

RHIC → LHC
RHIC

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A Large Ion Collider Experiment at LHC
LHC 唯一の原子核衝突に特化した実験 36 か国, 129 機関, > 1,000 人（2013 年 3 月現在）
CMSLHCb

ALICE

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ATLAS, LHCf

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LHC – クォーク非閉込相の深部探査
RHIC 以上の高エネルギー密度, 大容積, 長寿命– エネルギー密度 ~ 3 倍, 容積 ~ 2 倍, 寿命 ~ 20–30% 増~ 16 GeV/fm3 （熱化時間 ~ 1 fm/c を仮定）
 ~ 300 fm3, ~ 10 fm/c


ALICE (K. Aamodt et al.),PRL 105, 072002 (2010)
ALICE (K. Aamodt et al.),
PLB 696, 328 (2011)



正味のクォーク密度 ~ 0– 反陽子／陽子比 （中間ラピディティ領域）
陽子 + 陽子 900 GeV： 0.957 ± 0.006 (stat) ± 0.014 (sys) 陽子 + 陽子 7 TeV：0.990 ± 0.006 (stat) ± 0.014 (sys)

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準静的描像 ↔ 初期動的過程への迫撃

局所平衡流体描像– 粒子生成, 集団運動

初期動的過程の情報は逸失 !?
– 物理的に興味深い領域

初期ゆらぎに起因する生成粒子の高次異方性 高横運動量クォークの損失エネルギー再分配過程
– cf. LHC–ATLAS/CMS 実験

高横運動量探針 大立体角精密測定2013/3/27

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高横運動量探針 + 大立体角精密測定


高横運動量探針 （e.g. ジェット） の重要性再認識
パートン初期エネルギー測定

エネルギー非対称性

相対方位角エネルギー損失による衝突位置依存バイアス
エネルギー再分配– 硬散乱クォークのエネルギー損失 → 再分配– 光子–ジェット相関： パートン初期エネルギー基準測定2013/3/27

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RHIC/LHC 実験の針路戦略 （私見）
強場中のクォーク多体系の挙動と相構造
 臨界点近傍, 遷移領域を含む系統的広範囲探査
– LHC 最高エネルギー衝突 + RHIC エネルギー探査


初期動的過程の探究– 初期ゆらぎに起因する生成粒子の高次異方性– 高横運動量クォークの損失エネルギー再分配過程
→ PHENIX/ALICE 実験高度化計画

その他の興味深い物理– 高エネルギー原子核の初期状態– 高強度電磁場 （B ~ 1014–1015 T） 中の非線形電磁力学
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まとめ, おわりに

量子色力学が支配するクォーク多体系の物理– RHIC と LHC： 相補的両輪積年の高温クォーク非閉込相探索に終止符 準静的描像の成功 ↔ 初期動的過程への迫撃

– 高エネルギー原子核衝突： 激しい時間発展現象– ゆらぎから探る初期過程の知見– 高横運動量探針を軸とした新展開クォーク物質の挙動と相構造の包括的理解へ– 本講演に含めきれない豊穣な物理

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PHENIX/ALICE 実験関連講演
粒子生成, 重フレーバ, ジェット

時空発展, 二粒子相関

29aHA3 黒澤, 29aHA10 下村, 29aHA11 池田, 29aHA12 水野,29pHA2 堀

低質量電子対, 仮想光子, 強磁場生成

29aHA9 新井田, 29pHA6 Bhom

方位角異方性, 集団運動, ゆらぎ29aHA1 二橋, 29aHA4 蜂谷, 29pHA3 渡辺 （大）,29pHA4 辻 （智）, 29pHA9 八野

29aHA2 星野, 29aHA5 渡辺 （陽）, 29pHA5 辻 （亜）検出器, 高度化計画


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26aHC8 林, 27pHD4 寺崎, 27pHD7 山口, 28pHB4 関畑
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