Measurement	  Of	  Direct	  Photon	  3rd	  Order	  Azimuthal	  Anisotropy	  	  In	  Au+Au	  collisions	  At	  √sNN=200GeV	  	  at	  RHIC-­‐PHENIX	  experiment	Sanshiro	  Mizuno	  for	  the	  PHENIX	  collabora9on	  University	  of	  Tsukuba,	  RIKEN	  	  mail	  to	  :	  s1230082@u.tsukuba.ac.jp	  What	  are	  direct	  photons	  ?	

pT(GeV/c)	

Direct	  photons:	  all	  photons	  except	  those	  origina9ng	  from	  hadron	  	  decays.	  
l Good	  probe	  since	  they	  penetrate	  the	  QGP	  l Created	  during	  all	  stages	  of	  the	  collision	  hard	  scaAering	Jet	  fragmentaEon	
jet-­‐photon	  conversion	(thermal?)	  radiaEon	  from	  QGP	
(thermal?)	  radiaEon	  from	  HG	hadron	  decay	WPCF2014	  @	  Hungary	Eme	2	Higher	  Order	  Azimuthal	  Anisotropy	
dNd(n)= N0 [1 + 21X

vn cos{n(n )}]n=1⌫n =< cos{n(n )} > Φn	  :	  Event	  Plane	

Φ3	
Φ2	
v3	  comes	  from	  par9cipant	  posi9on	  ﬂuctua9ons,	  viscosity	  dampens	  	  higher	  order	  terms.	  
• Deﬁne	  iniEal	  geometry	  calculaEng	  model	  • Constrain	  η/s	  of	  QGP	   WPCF2014	  @	  Hungary	3	Direct	  Photon	  pT	  spectra	
arXiv:1405.3940v1	

2ca(1 + pT /b)
The	  pT	  spectra	  from	  p+p	  data	  is	  ﬁ\ed	  	  and	  extrapolated	  below	  2	  GeV/c.	

Ae pT /Tef f

The	  excess	  of	  pT	  spectra	  are	  ﬁ\ed	  and	  	  eﬀec9ve	  temperature	  is	  extracted.	  	  	  It	  is	  about	  240	  MeV.	  
Photons	  are	  emi\ed	  from	  very	  hot	  	  medium	  at	  early	  9me	  of	  collisions.	
WPCF2014	  @	  Hungary	4	

Direct	  Photon	  EllipEc	  Flow	  (v2)	

P.R.L.	  109,	  122302(2012)	

It	  is	  observed	  that	  posi9ve	  γdir.	  v2	  in	  low	  pT	  and	  the	  magnitude	  of	  it	  	  is	  comparable	  to	  that	  of	  hadron	  v2.	  	  Photons	  are	  emi\ed	  at	  late	  9me	  of	  collisions,	  when	  temperature	  is	  low.	
WPCF2014	  @	  Hungary	5	Direct	  Photon	  Puzzle	

Yield	  enhancement	  Suggests	  early	  emission	  when	  	  temperature	  is	  high	  at	  or	  above	  	  300MeV	  	  Large	  ellipEc	  ﬂow	  (v2)	  Suggests	  late	  emission,	  when	  	  temperature	  is	  low,	  collec9ve	  	  mo9on	  is	  large	

Integrated	  emission	 diﬀeren9al	  emission	

It	  is	  a	  challenge	  for	  models	  to	  explain	  simultaneously	  the	  excess	  of	  	  direct	  photon	  yield	  and	  the	  large	  ellip9c	  ﬂow	  (v2).	  
WPCF2014	  @	  Hungary	6	

MoEvaEon	
To	  resolve	  the	  puzzle	  and	  constrain	  photon	  produc9on	  mechanisms,	  	  more	  diﬀeren9al	  measurements	  are	  needed.	  
• Higher	  order	  azimuthal	  anisotropy	  (v3)	  	  	  Photons	  have	  diﬀerent	  emission	  angular	  pa\ern	  depending	  on	  their	  	  produc9on	  mechanism.	  
v3	  measurement	  could	  constrain	  photon	  produc9on	  mechanism.	  	  In	  this	  talk,	  the	  results	  for	  v3	  in	  several	  centrali9es	  are	  shown.	  

WPCF2014	  @	  Hungary	7	Analysis	  Flow	

0.15

v2	

0.15

v3	

0-­‐60%	  centrality	  AuAu	  200GeV	  E.P.	  :	  RxN(I+O)	

0.1

0.1

1.	  π0,	  γinc.	  vn	  measurement	  0	  π0.05
0.05	  inc.	
γ	  0002
4024	  p (GeV/c)p (GeV/c)
	  arXiv:1405.3940	
2.	  γdec.	  vn	  esEmaEon	  from	  π0	  vn	  	  Mesons	  spectra	  are	  assumed	  by	  mT	  scaling.	  
Mesons	  vn	  are	  assumed	  by	  NCQ	  scaling.	  	  	  	  
	  
inc.
dec.
3. γdir.	  vn	  calculaEon	  R⌫⌫
nndir.
⌫=nRγ	  measured	  by	  external	  	  R1photon	  conversion	  method	  is	  used.	
8	
R = Ninc. /Ndec.
TTHadronic	  Decay	  Photon	π	 ρ	η	 η’	  ω	 all	  γdec.	

The	  pT	  spectra	  and	  vn	  are	  es9mated	  from	  π.	  
pT	  spectra	  :	  mT	  scaling	  vn	  :	  quark	  number	  scaling	  10 	  10meson	  p 	  spectra	
γdec.	  p 	  spectra	
1110T

9107
105103101051015
p (GeV/c)810510-1

102

10-2

10-1

100

5T

0.2
0.15

meson	  v2	0.2γdec.	  v2	

0.15
0.1

0.05

0.05

0000

1015
p (GeV/c)
T1015
p (GeV/c)

-3

10-4

05

T

0.1

51

T

10

10-4-10

contribu9on	  ra9o	  (Ri)	

1151015p (GeV/c)
TmT	  scaling	  q0	  2pT = p2T,⇡0 + Mmeson	  decay	  photon	  vn	  1015p (GeV/c)
T

WPCF2014	  @	  Hungary	vndec. =XiM⇡20

Ri vndec.i9	Inclusive	  and	  decay	  photon	  vn	  comparison	Direct	  photon	  vn	  are	  extracted	  from	  these	  devia9on	  via	  below	  	  func9on.	  
inc.
dec.
R⌫
⌫
nn	
⌫ndir. =

R

v2	
0.15

v3	
0.15

0.1

0.1

γinc.	  γdec.	

0.05

10-­‐60%	  centrality	  AuAu	  200GeV	  E.P.	  :	  RxN(I+O)	

0.05

000240pT(GeV/c)
WPCF2014	  @	  Hungary	24pT(GeV/c)

10	The	  Result	  of	  Direct	  Photon	  v3	0-60(%)
π0 v3γ inc. v3

0.1

v3v3

0.1

0.05

0.05

0E.P.:RxN(I+O)  Au+Au 200GeV 002

γ dir. v3

40p (GeV/c)T

2

4p (GeV/c)
TThe	  magnitude	  of	  γdir.	  v3	  is	  similar	  to	  π0,	  a	  similar	  trend	  as	  a	  seen	  in	  	  case	  of	  v2.	  
Photon	  azimuthal	  asymmetries	  may	  be	  aﬀected	  by	  expansion	  of	  QGP.	  
WPCF2014	  @	  Hungary	11	Centrality	  dependence	  of	  Direct	  Photon	  v3	0.220-40(%)
0.2

Au+Au
200GeVv3v3

γ dir. v3
E.P. : RxN(I+O)

40-60(%)
0.2

 v3

0-20(%)



0.1

0.1

0.1

000-0.1

-0.1

-0.1

0

2

40
p (GeV/c)T

2

40
pT(GeV/c)

24p (GeV/c)Tη	  range	  of	  RxN(I+O)	  is	  from	  1.0	  to	  2.8.	  
Non-­‐zero,	  posi9ve	  v3	  is	  observed	  in	  all	  centrality	  bins.	  
No	  strong	  centrality	  dependence:	  similar	  tendency	  as	  for	  charged	  	  hadrons	  (P.R.L.	  107,	  252301	  (2011))	  and	  π0.	  
WPCF2014	  @	  Hungary	12	γdir.	  and	  π0	  v3	  show	  similar	  trend	
0-20(%)v3

v3

0.2
Au+Au  200GeV 0.2

γ dir. v3 π0 v3
E.P. : RxN(I+O)

40-60(%)
v3

0.2

20-40(%)

0.1

0.1

0.1

000-0.1

-0.1

-0.1

02

40p (GeV/c)
T

2

40pT(GeV/c)

24p (GeV/c)
TThe	  centrality	  (in)dependence	  of	  γdir.	  v3	  is	  also	  observed	  for	  π0	  v3.	  

WPCF2014	  @	  Hungary	13	Comparison	  of	  γdir.	  vn	  with	  the	  two	  methods	
gdirect (calorimeter)
gdirect (conversions)

v2

0.3

Au+AupRXP(I+O)
sNN = 200 GeV 0.2 

0.1
0.0
0.15

0-20%

20-40%

40-60%

v3

0.10
0.05
0.00

012340123

pT [GeV/c]

401234The	  calorimeter	  and	  conversion	  photon	  measurements	  are	  	  consistent	  within	  systema9c	  uncertainty.	  
WPCF2014	  @	  Hungary	14	Summary	Soh	  photons	  are	  expected	  to	  provide	  important	  keys	  to	  understand	  	  photon	  produc9on	  mechanisms	  and	  medium	  proper9es.	  	  Direct	  photon	  v3	  are	  measured	  in	  several	  centrality	  bins.	  
It	  is	  observed	  that	  non-­‐zero	  and	  posi9ve	  γdir.	  v3	  the	  strength	  of	  γdir.	  v3	  is	  comparable	  to	  hadron	  v3	  They	  are	  similar	  trend	  to	  γdir.	  v2.	  
don’t	  have	  strong	  centrality	  dependence	  It	  is	  similar	  tendency	  to	  hadron	  v3.	  

WPCF2014	  @	  Hungary	

15	

WPCF2014	  @	  Hungary	16	Detector	  informaEon	
Central	  Arm:	  Measure	  electrons	  and	  photons	  |η|	  <	  0.35	  	  Reac9on	  Plane	  Detector	  (RxN):	  Es9mate	  Event	  Plane	  Inner	  :	  1.5	  <	  |η|	  <	  2.8	  Outer	  :	  1.0	  <	  |η|	  <	  1.5	  	  MPC:	  Es9mate	  Event	  Plane	  3.1	  <	  |η|	  <	  3.8	  	  BBC:	  Es9mate	  Event	  Plane	  3.1	  <	  |η|	  <	  3.9	WPCF2014	  @	  Hungary	

17	Photons	  by	  external	  conversion	Published	  Real	  photons	  in	  EMCal

MHBD:	  Real	  track	  Mvtx	  	  :	  Measured	  track		  :	  1	  -­‐	  20	  GeV/c	  large	  errors	  at	  low	  pT	  (resolu9on,	  contamina9on)	  MHBD[GeV]	

Virtual	  photons	  from	  e+e-­‐	  :	  1	  -­‐	  4	  GeV/c	  	  New	  method	  Real	  photons	  are	  measured	  by	  e+e-­‐	  pair	  	  from	  external	  photon	  conversion	  	  	  at	  the	  HBD	  readout	  plane.	  
ü less	  hadron	  contamina9on	  ü good	  momentum	  resolu9on	  pT	  range	  :	  0.4	  ~	  5GeV/c	  Extended	  to	  lower	  pT	  low	  staEsEcs	  WPCF2014	  @	  Hungary	Mvtx[GeV]	
18	External	  conversion	  photon	

Real	  track	  esEmated	  track	MHBD[GeV]	

1)	  real	  photon	  converts	  to	  e+e-­‐	  in	  HBD	  backplane	  2)	  default	  assump9on:	  track	  come	  from	  the	  vertex	  3)	  momentum	  of	  the	  conversion	  tracks	  will	  be	  	  	  	  	  	  	  mis-­‐measured	  (see	  black	  tracks)	  4)	  apparent	  pair-­‐mass	  (about	  12MeV)	  will	  be	  measured	  	  	  	  	  	  	  for	  phtons	  5)	  assume	  the	  same	  tracks	  originate	  in	  the	  HBD	  backplane	  6)	  re-­‐calculate	  momentum	  and	  pair	  mass	  with	  this	  	  	  	  	  	  “alternate	  tracking	  model”	  7)	  for	  true	  converted	  photons	  Matm	  will	  be	  around	  zero	  WPCF2014	  	  Hungary	
M @[GeV]	
vtx

19	Comparable	  measurement	  is	  achieved	
arXiv:1405.3940	

Min.	  Bias	

Au+Au	

Ncoll-­‐scaled	  pp	  ﬁt	  external	  conversion	  pp	  virtual	  photon	  pp	  in	  EMCal(Run2003	  data)	  pp	  in	  EMCal(Run2006	  data)	  AuAu	  in	  EMCal(Run2004	  data)	  AuAu	  from	  virtual	  photon(Run4	  data)	  	  	  Using	  external	  photon	  conversion	  	  method	  achieved	  good	  agreement	  	  with	  previous	  results.	

WPCF2014	  @	  Hungary	20	The	  analysis	  informaEon	

γdir.	  vn	  with	  external	  conversion	  photon	  analysis	  charged	  π	  vn	  γinc.	  vn	  with	  external	  conversion	  photon	  analysis	  Rγ	  with	  external	  conversion	  photon	  analysis	  	  	  γdir.	  vn	  with	  Calorimeter	  π0	  vn	  with	  Calorimeter	  γinc.	  vn	  with	  Calorimeter	  Rγ	  with	  external	  conversion	  photon	  analysis	  WPCF2014	  @	  Hungary	21	Comparison	  γdir.	  v3	0.10-60(%)

γ dir. v3 (RxN(I+O))
Au+Au 

v3v30-60(%)
0.1200GeV

Au+Au

 

200GeV

0.05

0.05

000

γ dir. v3 (RxN(In)+MPC)

24p (GeV/c)

0T

24p (GeV/c)
TRxN(I+O)	  :	  1.0	  <|η|<	  2.8	  RxN(In)+MPC	  :	  1.5	  <|η|<	  3.8	  	  The	  magnitude	  of	  v3	  is	  comparable.	
WPCF2014	  @	  Hungary	22	Comparison	  inclusive	  photon	  vn	40-60(%)
v220-40(%)
v2v20-20(%)

0.1

0.1

0.1000Au+Au 200GeV

10.2

 0 γ inc. v1 (RxN(I+O))
23 p (GeV/c)
4030.2Treal photon

2v30.2v3v30.2

γ inc. v2 (RxN(I+O))
real photon
0.2
external conversion photon

3 p (GeV/c)
40T

0.1

0.1

0002

340p (GeV/c)T

3 p (GeV/c)
4T

0.2

0.1

12



external conversion photon

0112

340p (GeV/c)
T1234p (GeV/c)
TInclusive	  photon	  vn	  is	  measured	  via	  conversion	  photon,	  and	  pT	  	  range	  is	  extended	  to	  low	  pT	  region.	  
WPCF2014	  @	  Hungary	23	Input	  decay	  photon	  :	  pT	  spectra	

0

pT =q2
p2T,⇡0 + MmesonM⇡20π±	  and	  π0	  pT	  spectra	  are	  ﬁ\ed	  and	  its	  func9on	  is	  used	  for	  es9ma9ng	  	  the	  other	  meson	  pT	  spectra	  by	  mT	  scaling.	  
They	  are	  used	  as	  a	  input.	  
WPCF2014	  @	  Hungary	24	Input	  decay	  photon	  :	  pT	  spectra	
The	  ra9o	  of	  Each	  meson	  pT	  spectra	  to	  π0	  pT	  spectra	  is	  known	  	  to	  be	  constant	  at	  high	  pT.	  	

25	

Yield	  :	  data	  vs	  theories	
arXiv:1405.3940	
(a)

1d2 N
22p pT dpT dy [(GeV/c) ]101

Linnyk et al.
vHees et al.
Shen et al. (KLN)
Shen et al. (MCGlb)
direct g100(b)

Au+Au

Linnyk	  et	  al.:	  PHSD	  transport	  model;	  	  Linnyk,	  Cassing,	  Bratkovskaya,	  	  P.R.C	  89,	  034908(2014)	  	  vHees	  et	  al.:	  Fireball	  model;	  van	  Hees,	  	  Gale,	  Rapp;	  P.R.C	  84,	  054906(2011)	  	  Shen	  et	  al.:	  Ohio	  hydro	  for	  two	  	  diﬀerent	  ini9al	  condi9ons;	  Shen,	  Heinz,	  Paquet,	  Gale;	  P.R.C	  84,	  064903(2014)	  	  psNN = 200 GeV

10 1
10 2
10 3
10 4
10 5

101

0-20%

20-40%

(c)

(d)

100
10 1
10 2
10 3

The	  yield	  itself	  is	  s9ll	  not	  perfectly	  	  	  	  described.	  

10 4
10 5

40-60%
01

60-92%
2341

2

3

pT [GeV/c]

4526	

Comparison	  γdir.	  v2	  with	  theoreEcal	  calculaEons	0-­‐20%	

0.3520-­‐40%	

gdirect (conversions)gdirect (calorimeter)0.30

 

vHess et al. (b)vHess et al. (a)Linnyk et al.

0.25

v2

0.20

40-­‐60%	

0.15
0.10
0.05
0.00

012340123pT [GeV/c]

401234van	  Hees	  et	  al:	  P.R.C	  84,	  054906	  (2011)	  Linnyk	  et	  al.:	  PHSD	  model,	  private	  communica9on	  WPCF2014	  @	  Hungary	27	π0	  and	  γdir.	  v2	  measurement	  by	  STAR	

Ahmed	  M.	  Hamed	  	  shown	  at	  QM	γdir.	  v2	  in	  high	  ET	  region	  are	  consistent	  with	  0	  within	  systema9c	  	  uncertainty,	  while	  π0	  has	  posi9ve	  v2.	  
WPCF2014	  @	  Hungary	28	photon	  vn	  measurement	  by	  ALICE	
v2	

arXiv:1212.3995v2	

v3	

Friederike	  shown	  at	  QM	γdec.	  v3	  γinc.	  v3	It	  is	  also	  observed	  that	  γdir.	  v2	  is	  posi9ve	  in	  low	  pT	  at	  LHC-­‐ALICE.	  
v3	  measurement	  is	  ongoing.	
WPCF2014	  @	  Hungary	29