光子・レプトン対・ハード測定
関畑 大貴 (東大CNS)
重イオン衝突の時空発展の理解に向けた理論・実験合同研究会
2021年9月24日

目次• 光子・レプトン対- 熱光子パズル- 熱的レプトン対 (NA60 and HADESより)• ジェット- 抑制- フレーバー選択(dead cone effect for charm jets)- 形状• 重クォーク・クォーコニア
- Λc/D 比- X(3872) : hadronic molecular or tetra quark state ?

2021年9月24日

関畑大貴

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Photon and dilepton

2021年9月24日

関畑大貴

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direct photon puzzle• 矛盾する２つの測定量- 大きな生成量 : 初期高温状態からの熱輻射- 大きなv2 : 冷えたハドロンガスからの熱輻射(LHC-ALICEでも誤差が大きいが類似の結果)• 最近では、膨張速度が大きなハドロンガスからの熱輻射光子が青方偏移したと考えられている

Phys. Rev. C 94, 064901
2021年9月24日

関畑大貴

Phys. Rev. C 89, 044910

4

Scaling of direct photons• 矛盾する２つの測定量- 大きな生成量 : 初期高温状態からの熱輻射- 大きなv2 : 冷えたハドロンガスからの熱輻射• 最近では、膨張速度が大きなハドロンガスからの熱輻射光子が青方偏移したと考えられている。
• 直接光子生成量は、粒子多重度のべき乗に比例する。
- dNγ/dy ∝ (dNch/dη)1.25- この結果も熱輻射光子起源が、初期高温状態によらず、反応後期の冷えた段階からが支配的であることを示唆している。
• これらを逆手に取って、ハドロン化の際に光子放出を伴う再結合模型への構築

Phys. Rev. Lett. 123, 022301
2021年9月24日

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New probe : thermal dileptons• 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。
• 一方で、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

熱的電子対不変質量分布 Mee (GeV/c2)
時間- クォーク再結合模型の改善

arXiv:1612.07359- ハドロン相近傍の熱輻射が多いことを利用
2021年9月24日

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NPA 967 (2017) pp.704-707

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Thermal dileptons in NA60

Eur. Phys. J. C (2009) 61: 711-720
Eur. Phys. J. C (2009) 59: 607-623<Teff> = 206 ± 12 MeV

Teff : mT spectraの傾き dN/dmT ∝ exp(-mT/Teff)• 熱輻射ミューオン対を初測定@SPS (チャームの生成が少ないことが利点)• Mμμ > Mφの領域で、Teffが一定- その生成起源が流速が発達する前の反応初期段階(partonic phase)であることを意味する
2021年9月24日

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Thermal dileptons in HADESNature Phys. 15 (2019) 10, 1040-1045
LHC
RHICdN∝ MT 3/2 exp −M⁄TdM

J-PARC-HI• Au+Au at √sNN = 2.42 GeV : T = 72 MeV• LHC-Run3,4やJ-PARC-HIでの一番の醍醐味- たくさんの統計量が必要なことと、チャームハドロン除去が鍵2021年9月24日

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Phys. Rev. Lett. 127, 042302 (2021)
arXiv:2104.07050

Low-pT,ee dielectron excess• CERN ISR AFSでの低横運動量電子対の増大- 30年以上経っても説明がついていない- 追実験もなかった- LEP-DELHIでの低エネルギー光子の増大• ALICEの低地場データ(B = 0.2 T)- 新たな運動学領域を開拓- pT,ee < 0.4 GeV/cの電子対の増大を観測• グルーオン飽和からのグルーオン融合(gg→qq! )で再現可能- 一時的にメソンのような状態を作り、レプトン対に対消滅する
2021年9月24日

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Jet

2021年9月24日

関畑

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Jet quenchingpp 27.4 pb-1

s = 5.02 TeV
1.2CMS1PbPb 404 µb-1

sNN = 5.02 TeVCMSZ+jet, Smeared pp

Z+jet, 0-30 %PRL 119 (2017) 082301

PRL 119 (2017) 082301
10.8

γ +jet, Smeared pp

γ +jet, 0-10 %PLB 785 (2018) 14

PLB 785 (2018) 14

V = Z, γpV > 60 GeV/c

1 dNjV
NV dxjV

1 dNjV
NV dxjV

0.8

T

0.6

anti-kT jet R = 0.3jetp

T0.4> 30 GeV/c

0.6

V = Z, γpV > 60 GeV/c
T

anti-kT jet R = 0.3

0.4jetpTjet|η | < 1.6Δ φ > 7πjV8> 30 GeV/cjet|η | < 1.6Δ φ > 7πjV
80.20.2

Phys. Lett. B 790 (2019) 108

0000.2

0.4

0.6

0.8

11.2

1.4

1.6

1.8xjV = pjet/pVTT2

00.2

0.4

0.6

0.8

11.2

1.4

1.6

1.8

2xjV = pjet/pVTT• pT~1 TeVまでのジェット抑制を観測- RAAだけでなく、エネルギー損失しない電弱ボソンとの相関• 流行りはその内部構造へと移った。

2021年9月24日

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Charm quark diffusion with D-tagged jets
27.4 pb-1 (5.02 TeV pp) + 404 µb-1 (5.02 TeV PbPb)

4 < pD < 20 GeV/cCMST

1PbPbpp2

Generatorpp

1.5

0.2

0.3

0.4

0.5

100.10.2r

0.3

0.4

PYTHIA

0.510SHERPA
00.1

0.2r

0.30.4

PbPbppPYTHIA

10−2r

0.5rが大きいところでPbPb/pp比が増加• 高横運動量では変化なし

0PbPb
pp0.1

CCNU

CCNU
PbPb
pp (SHERPA)• Pb-Pbとpp衝突を比較すると、ジェット中の低横運動量D中間子は、ジェット軸から離れたところに分布

CCNU
PbPb
pp (SHERPA)

12Generator
pp

10−1
0|yD| < 2jet|p | > 60 GeV/c
T|ηjet | < 1.6

D0 + jet

10−1

PbPb
pp
PYTHIA

pDT > 20 GeV/c

CMS

101 dNJD
NJD dr101 dNJD
NJD dr102|yD| < 2jet|p | > 60 GeV/cT|ηjet | < 1.6

D0 + jet

0.5

27.4 pb-1 (5.02 TeV pp) + 404 µb-1 (5.02 TeV PbPb)

1.5

0.1

• QGP中でのチャームクォークの拡散

0.2

CCNU

0.3

0.4

0.5

0.3

PYTHIA

0.4

0.5

0.3

0.4

0.5

r

100.1

0.2

r

1
0.5
0SHERPA00.1

0.2r

横軸 : ジェット軸とD mesonの距離
2021年9月24日

Phy. Rev. Lett. 125 (2020) 102001

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Dead cone effect with charm jets

R(θ) : D-jet / inclusive jet

arXiv:2106.05713

θ : leading particle (D0)と他粒子間の角度• D-jetの場合には、D0から小角度にいるハドロンが減少する- dead cone effectを初観測
θdc < mq/Eradiatorへのグルーオン放射の抑制
2021年9月24日

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Prompt J/ψ in jet

大きなz : jet中でJ/ψが持ち出す運動量が大きい→jet中の粒子数が少ない
小さなz : その逆

PbPb 1.6 nb-1, pp 302 pb-1 (5.02 TeV)

×10−3
0.6RAA

dσpp,
dNPbPb [nb]1dz Nevt TAA dz

J/ψz= TjetpTp

arXiv:2106.13235

CMS

0.5pT,J/ ψ > 6.5 GeV

1.230 < pT,Jet < 40 GeV|η | < 2ppJet0.4

1.6
1.4

Prompt J/ψ

Cent. 0-90%

1PbPbPbPb 1.6 nb-1, pp 302 pb-1 (5.02 TeV)

CMS
Prompt J/ψ
pT,J/ ψ > 6.5 GeV
30 < pT,Jet < 40 GeV|η | < 2Jet
Cent. 0-90%

0.8

0.3
0.6
0.2
0.4
0.1

00.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

10減少傾向
0.3

0.4z

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1z• RAAを見ると、周りにハドロンがたくさんいる (zが小さい) J/ψが強く抑制される。
→ J/ψ中間子の抑制を記述するためには、jet activityも組み込む必要あり。

2021年9月24日

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Jet shape via dijets
5.02 TeV pp 320 pb-1 PbPb 1.7 nb-1/ ρ(Δr)pp

PbPb

0.2 0.4 0.6 0.8

01

0.2 0.4 0.6 0.8

21

0.2 0.4 0.6 0.801

Δr

Δr

2021年9月24日

Δr01

1

0.2 0.4 0.6 0.801

Δr

0.2 0.4 0.6 0.8

Δr1- 小さいxj : QGP表面でのdijet生成- 大きなxj : QGP中心部

12

均衡な運動量バランス
02/ ρ(Δr)pp

Δr01

PbPb

1

ρ(Δr)

/ ρ(Δr)pp

Δr

PbPb012

0.2 0.4 0.6 0.8• ジェット対の運動量バランスを区切ることで、通過距離依存性を見る

1

ρ(Δr)

0.2 0.4 0.6 0.801• どのような運動量の粒子がジェット軸から離れた場所にどれだけ分布しているかを表す量

2

ρ(Δr)

1/ ρ(Δr)pp/ ρ(Δr)pp1ρ(Δr)

10.2 0.4 0.6 0.8 01All dijets
Δr
0.8 < xj < 1.02

1Δr

PbPb

20.2 0.4 0.6 0.8

PbPb

ρ(Δr)

1

201

0.8

Cent: 0-10%/ ρ(Δr)pp/ ρ(Δr)pp

PbPb

1

ρ(Δr)

/ ρ(Δr)pp

2

ρ(Δr)

0.6/ ρ(Δr)pp

0.4All dijets
Δr
0.6 < xj < 0.8

PbPb

20.2PbPb/ ρ(Δr)pp

PbPb

ρ(Δr)

/ ρ(Δr)pp

Cent: 10-30%

不均衡な運動量バランス

0PbPb

2ρ(Δr)

10ρ(Δr)All dijets
0.0 < xj < 0.6PbPb

2

anti-kT R = 0.4, |η | < 1.6, p > 120 GeV, p > 50 GeV, Δϕ > 5πjet
T,1T,2
1,26

Cent: 30-50%

ρ(Δr)

ρ(Δr)

PbPb/ ρ(Δr)pp

CMS Subleading jet shape ratios
Cent: 50-90%

JHEP 05 (2021) 116

0.2 0.4 0.6 0.8Δr1(測定上、3 jets生成も含む)- 赤・紫のΔr > 0.4でのへこみは、pp衝突での3 jets事象が分母にあるから。

0.2 0.4 0.6 0.8

Δr11

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Radius scan of jet energy loss

JHEP 05 (2021) 284• R = 1.0までのジェットを初測定• 超高横運動量ジェットの抑制度合の比は半径に依存しない• QM2019からデータ点が変わった??
- why?

2021年9月24日

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Heavy flavor and quarkonia

2021年9月24日

関畑

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arXiv:2011.06078
arXiv:2106.08278

2 < p < 4 GeV/ cT

0.8

0.8

10.6

0.4

0.4

0.4

0.2

0.2

0.2

3ch0.81+10102
108 < p < 12 GeV/c〈dN /dη〉TΛc / D+00.6

1|η|<0.50.6

0.4

0.4

0.2

0.2

10102

ALI−PREL−336446

2021年9月24日3101021012 < p < 24 GeV/c〈dN /dη〉
Tch0.80.610

3〈dN ch/dη〉|η|<0.5• 異なる衝突系にわたるΛC+/D0 比の荷電粒子多重度依存性

6 < p < 8 GeV/ cT

0.80.6

Λc / D0

4 < p < 6 GeV/ c+T1

Λ+c / D00

Λc / D1+

Λc / D0

Charmed baryon/meson ratio|η|<0.5• e+e-衝突ではΛC+/D0~0.1- ハドロン衝突ではバリオンを作りたがる

10102103〈dN ch/dη 〉|η|<0.5

ALICE Preliminary• ppからPb-Pbへ滑らかな変化- 再結合模型でどう見える？

pp, s = 13 TeV
SPD multiplicity classesp−Pb Minimum Bias, s NN = 5.02 TeV
arXiv:2011.06078
Pb−Pb, s NN = 5.02 TeV
V0 multiplicity classes

10102103〈dN ch/dη〉|η|<0.5
関畑大貴

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coalescence of beauty and strange quarks

B0s /B+ yield ratio

2.5

Centrality 0-90%
1.5 < |y| < 2.4|y| < 2.4

0.8
0.7

PbPb: TAMU

0.6

PbPb: Langevin (Centrality 0-80%)

0.5

pp: LHCb 7 TeV

0.4

28 pb-1 (pp) + 351 µb-1 (PbPb) 5.02 TeV0CMS

Bs+B
TAMU
CUJET3.0|y| < 2.421.5

B0S→ J/ψ φ
B± → J/ψ K±

Phys. Lett. B 796 (2019) 168

RAA0.9PbPb 5.02 TeV (1.7 nb-1)

CMS

10.3
0.5

0.2
0.1
05

arXiv:2109.01908

Cent. 0-100%

global uncertainty: ± 8.0%0

10 15 20 25 30 35 40 45 50p (GeV/c)

1020304050p (GeV/c)
TT• 重イオン衝突でB0Sの初測定• B0S/B+比がpp衝突での結果から大きく増加する(bとsの再結合)と期待される低横運動量が大切

2021年9月24日

関畑

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27.4 pb-1 (5.02 TeV pp) + 530 µb-1 (5.02 TeV PbPb)
0D from b hadrons |y|<11.6 CMS
B± |y|<2.401.4
Prompt D |y|<1J/ ψ from b hadrons:
Charged hadrons |η|<11.8<|y|<2.41.2|y|<2.4
Global uncertainty

2.5v2

Phys. Rev. Lett. 123 (2019) 022001

R AA

Beauty hadron
ALICE Preliminary

0.4

0−10% Pb−Pb, s NN = 5.02 TeV
2.0 |y | < 0.50

Non-prompt D

0.3+

Non-prompt Ds

1.5b (→ c) → e
MC@sHQ+EPOS2 (20−40%)
PHSD
Elliptic Blast Wave
LIDO

0.2TAMU|y | < 0.801

Non-prompt D

0.8

Non-prompt Ds

RAAALICE+1.00.1

open markers: pp extrapolated reference

0.60.400.530−50% Pb−Pb, s NN = 5.02 TeV

0.2
1.6231.4

4 5 6 7 8 1020CUJET p (GeV/c)
T
EPOS2+MC@sHQ

30 40

TAMU
PHSD

100

0.0
05101530
T

35

123

ALI−PUB−490995

45678p T (GeV/c )Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 162001

Global uncertainty

RAA• bハドロンはまだ実験的困難が大きい

0.8
0.6

- 崩壊物(D, J/ψ, e, μ)を駆使する(Run3以降の醍醐味)

0.4
0.2025p (GeV/c )ALI−PREL−486685

1.2120−0.10centrality 0-100%
234 5 6 7 8 1020p (GeV/c)

30 40100• v2b→e > 0 (NEW)• 理論模型への制限には低い運動量での測定が必要

T

2021年9月24日

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大貴

20

HF起源ミューオンのRAA と v2
• LS1中に新たにシリコンピクセル検出器を導入(IBL : Insertable B-layer) ATLAS

arXiv:2109.00411- b quark起源粒子の選別性能向上• v2b→μ > 0 (NEW)- 低横運動量が欲しい• 流体膨張する系でのグルーオン放射と衝突によるエネルギー損失を記述する理論模型- RAAとv2を同時に再現できない

2021年9月24日

関畑

大貴

21

X(3872)
1.8

ρpp,PbPb = N ψ(2S) → J/ ψ π πNX(3872) → J/ ψ π π

1.6

1.7 nb-1 (PbPb 5.02 TeV)CMS

arXiv:2102.13048

Prompt
PbPb (5.02 TeV)|y| < 1.6, 0-90%

1.4
1.2
10.8

pp (7 TeV)|y| < 1.2 (CMS)

0.6

Phys. Rev. Lett. 126, 092001

pp (8 TeV)|y| < 0.75 (ATLAS)

0.4
0.2
01020304050

6070p (GeV/c)
T• LHCでのX(3872)の初測定- 生成粒子数 崩壊分岐比の荷電粒子多重度依存性(LHCb)は、
cc! uu! のtetra quarkとする模型と一致する。
(X(3872)はtetra quark stateです、とは言ってない。)

2021年9月24日

関畑大貴

22まとめ• 光子・レプトン対- 衝突初期状態に遡るユニークなプローブ- 熱光子の青方偏移による初期高温状態に到達する困難さ- それを解決する熱輻射レプトン対 (重ハドロン除去が鍵)• ジェット- pT ~ 1 TeVまで抑制- その内部構造と媒質応答が今の流行り• 重クォーク・クォーコニア
- charm hadronの結果は出揃いつつある(今後は統計誤差の削減)- beauty hadron測定に関しては、統計量と衝突点決定精度向上に期待- 低横運動量での高精度な測定が必須
2021年9月24日

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backup

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関畑大貴

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