Study	  of	  Hot	  QCD	  ma/er	  at	  RHIC	  and	  LHC	  	  ShinIchi	  Esumi,	  Inst.	  of	  Physics,	  Univ.	  of	  Tsukuba	Contents	  • Temperature	  • Energy	  loss	  • CollecIve	  ﬂow	  • CriIcal	  point	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

1	Hadronic Phase -> Partonic Phase	

LHC	
RHIC

Partonic Phase	
FAIR
J-PARC	

Phase Transition	
Hadronic Phase	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

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2	

RHIC at BNL, sqrt(sNN) = 10 - 200 GeV/c(New York, USA) 	

LHC at CERN, sqrt(sNN) = 0.5 - 5.5 TeV/c 	(Geneva, Switzerland)	

Colliding Nucleus	

Colliding Nucleus	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

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3	Experiments	  at	  RHIC	  and	  LHC	ALICE	PHENIX	ATLAS	STAR	CMS	APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

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4	STAR	  CMS	  Experimental	  data	  a	  few	  k	  to	  10k	  parIcles	  per	  collision	  	PHENIX	  APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

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5	Enhanced	  thermal	  photon	  producIon	  at	  low	  pT	

AuAu	

• Virtual	  and	  real	  photon	  measurements	  via	  internal	  and	  external	  conversion	  methods	  with	  electron	  pair	  measurements	  • Real	  photon	  measurements	  with	  EMcal	  	  • IniIal	  temperature	  of	  300∼600MeV	
arXiv:1405.3940	independent	  slope	  w.r.t.	  centrality	
yield	  ~	  Npart1.5	  	dN	  /	  dy	pp	

Npart	APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

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6	

Direct	  (thermal)	  photon	  v2	  and	  v3	  v2	

v3	vn	  =	  <	  cos	  n(φ parIcle -­‐	  Φnplane)	  >	  (n=2	  :	  ellipIc	  ﬂow),	  (n=3	  :	  triangular	  ﬂow)	

v2	

v3	

PHENIX,	  QM14	

• comparable	  to	  hadron	  for	  both	  v2	  and	  v3	  at	  2∼3GeV/c	  • signiﬁcant	  contribuIon	  from	  photons	  from	  later	  stages	  	  (inconsistent	  with	  early	  photons	  from	  ho/er	  period)	  • ﬂa/er	  pT	  dependence	  of	  v2	  at	  low	  pT	  APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

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7	History	  of	  temperature	  before/aher	  the	  phase	  transiIon	  	Ini:al	  temperature	  :	  	  	  	  	  Direct	  thermal	  photon	  measurement	

ini:al	  temperature	

cri:cal	  point	  	Chemical	  Freeze-­‐out	  temperature	  :	  	  	  	  	  ParIcle	  species,	  raIos	  are	  ﬁxed	  	  	  	  at	  the	  end	  of	  inelasIc	  interacIons	  	Thermal	  Freeze-­‐out	  temperature	  :	  	  	  	  	  ParIcle	  spectra	  are	  ﬁxed	  	  	  	  at	  the	  end	  of	  elasIc	  interacIons	  	Cri:cal	  Point	  :	  	  	  	  	  1st	  order	  phase	  transiIon	  	  	  	  non-­‐monotonic	  behavior	  	  	  	  expected	  ﬂuctuaIon	  to	  diverge	

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8	High	  pT	  direct	  photon	  	  as	  penetraIng	  probe	pT	  >	  5	  GeV/c	 hadron	

PRL 109 (2012) 152302

γ	γdir	

RAA	< 1	∼ 1	v2	> 0	∼ 0	π0	  RAA	  	  	  	  	  	  (surface)	

PRL 109 (2012) 122302

v2	

N (A+A)	  RAA	  =	  	 	  Ncoll	  N(p+p)	  π0	

γdir	

γinc	

relaIve	  yield	  with	  respect	  to	  a	  simple	  independent	  superposiIon	  of	  pp	  data	  2.76TeV	  Pb+Pb	

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9	Energy	  loss	  at	  high	  pT	  and	  re-­‐distribuIon	  	  of	  the	  lost-­‐energy	  at	  low	  pT	  at	  RHIC	
prompt	  photon	  -­‐	  hadron	  correla:on	  	  NPTY	  =	  associate	  hadron	  yield	  per	  trigger	  γ	  IAA	  =	  NPTY(AA)	  /	  NPTY(pp)	
PRL	  111	  (2013)	  032301	

High	  pT	

Low	  pT	  enhancement	

jet	

γ	
h	h	jet	  -­‐	  hadron	  correla:on	  	  SPT	  =	  associate	  hadron	  pT	  sum	  per	  jet	  DAA	  =	  SPT(AA)	  -­‐	  SPT(pp)	
PRL	  112	  (2014)	  122301	  Low	  pT	High	  pT	  suppression	APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

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10	ModiﬁcaIon	  of	  jet	  F.F.	  at	  LHC	  re-­‐distribuIon	  to	  lower	  pT	  	  and	  to	  larger	  angle	

CMS	  QM2014	

Phys.	  Rev.	  C	  90	  (2014)	  02490	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

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11	Jet	  quenching	  at	  RHIC	  vs	  LHC	  	  (AJ	  :	  di-­‐jet	  energy	  asymmetry)	  	  •
•••visible	  eﬀect	  with	  smaller	  jet	  cone	  R∼0.2	  at	  RHIC	  lower	  jet	  energy	  than	  LHC,	  	  smaller	  eﬀect	  than	  LHC	  mostly	  recovered	  jet	  energy	  	  AJ	  =	  	within	  larger	  jet	  cone	  R∼0.4	  Somewhat	  contradicIng	  with	  large	  angle	  	  emission	  of	  low	  pT	  parIcles	  (jet	  selecIon	  bias…)	

Jet1	  	  (pT,1)	

R∼0.2	  R∼0.4	  in	  (φ,η)	

PT,1	  -	  PT,2	  PT,1	  +	  PT,2	  	  	  Jet2	  	  (pT,2)	

The	  diﬀerence	  	  is	  mostly	  gone.	

STAR,	  QM14	
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ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	12		  jet-­‐suppression	  by	  partonic	  energy	  loss	  	   	  and/or	  modiﬁcaIon	  of	  fragmentaIon	  funcIon	
(These	  two	  can	  not	  be	  clearly	  separated	  experimentally!)	

Closer and closer tothe initial parton energy
Gamma
Jet (large R)

Jet	  reconstrucIon	  is	  to	  recover	  the	  lost	  energy	  to	  get	  the	  original	  parton	  depending	  on	  parameters.	  	  Jet	  as	  a	  control	  tool	  to	  deﬁne	  path	  length	  	  quark/gluon	  contribuIon	  should	  also	  be	  considered	

Jet (+hadron)Jet (small R)
π0 (hadron)QGP	center	
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surface	

more and more surface bias
given by energy loss

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

13	arXiv:1405.4632	

EllipIc	  ﬂow	  with	  PID	  at	  RHIC	  and	  LHC	  • High	  staIsIcs	  measurements	  allow	  	  a	  precise	  comparison	  of	  v2(p)	  and	  v2(φ).	  
• Some	  small	  deviaIon	  from	  hydro-­‐like	  	  mass	  dependence	  of	  v2	  at	  low	  pT	  • φ	  puzzle	  between	  peripheral	  and	  central	  	  at	  LHC	  2.76TeV	  Pb+Pb	

baryon	meson	

pT	  (GeV/c)	
qq	  qqq	

200GeV	  Au+Au	

ss	  sss	baryon	meson	
Number	  of	  quark	  scaling	  	  as	  a	  signal	  of	  partonic	  phase	STAR,	  QM14	
APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

14	EllipIc	  ﬂow	  	  in	  a	  small	  system?	  	  d+Au	  in	  Glauber	  model	
peripheral	  subtracIon	

peripheral	  subt.	

arXiv:1404.7461	  	  	  	  	  pT	  (GeV/c)	 PLB	  726	  (2013)	  164-­‐177	
5.02TeV	  p+Pb	  :	  	  ATLAS	  before	  and	  aher	  jet-­‐subtracIon	  APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

arXiv:	  1409.1792	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

15	

AMPT	  simulaIon	  p+Pb	  5TeV	  (string-­‐melIng	  on/oﬀ)	  for	  ALICE	  backward-­‐central	  Δφ correlaIon	  (|Δη|=3∼6)	  Associate	  yield	  /	  trigger	

string-­‐melIng	  oﬀ	  :	  hijing	  +	  hadronic	  cascade	

JPS	  2014/Mar,	  	  Kazuki	  Oshima,	  	  Univ.	  of	  Tsukuba	

eﬀecIvely	  partonic	  cascade	  :	  on/oﬀ	  	string-­‐melIng	  on	

TPC	  :	  |η|<1	  pT/η	  cuts	  are	  chosen	  for	  ALICE	  TPC-­‐V0A	  acceptance.	  	 V0A:	  3<η<5	  	  (Pb-­‐going	  side)	  V0C	  :	  -­‐4<η<-­‐2	  (p-­‐going	  side)	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

16	

Triangular	  expansion	  and	  shape	  vn	EllipIc	  and	  Triangular	  expansion	  :	  v2,	  v3	EllipIc	  and	  Triangular	  shape	  :	  RHBTΦ2,	  RHBTΦ3	n=2	
n=3	
n=2	

PHENIX,	  QM12	  n=3	pT	  [GeV/c]	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

PRL112	  (2014)	  222301	  	ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

17	Cross	  harmonics	  correlaIon	  with	  Q2	  selecIon	  v2(Low	  pT)	  	  vs	  	  v2(high	  pT)	  v2	  	  vs	  	  v3	  ATLAS,	  QM14	  APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

18	

pT	  dependent	  ﬂow	  ﬂuctuaIon	  • measure	  of	  factorizaIon	  • amazing	  similarity	  in	  hydro-­‐models	  especially	  in	  central	  and	  at	  mid-­‐pT	  • despite	  of	  hydro-­‐failure	  to	  explain	  vn	  in	  central…	
ALICE,	  QM14	

CMS,	  QM14	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

19	

Event	  shape	  selecIon	  by	  Q2	  (∼v2)	  ε2ﬁnal	  relaIon	  of	  ε2iniIal	  –	  v2	  –	  ε2ﬁnal	  for	  a	  given	  centrality	  εﬁnal	  via	  HBT	  interferometry	

PHENIX,	  QM14	  1/Ntrig	  	  	  	  dNPair/dΔφ	ﬂow	  BG	  subtracted	  jet	  correlaIon	

2-­‐parIcle	  correlaIon	

PHENIX	  preliminary	-­‐1	  	  	  	  0	  	  	  	  1	  	  	  	  2	  	  	  	  3	  	  	  	  4	PHENIX,	  QM12	  -­‐1	  	  	  	  0	  	  	  	  1	  	  	  	  2	  	  	  	  3	  	  	  	  4	Δφ	  =	  φAsso.	  –	  φTrig.	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ATLAS,	  QM14	  ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

20	More	  diﬀerenIal	  studies	  of	  hard-­‐soh	  interplay,	  	  jet-­‐medium	  interacIon,	  jet-­‐ﬂow	  correlaIon	  Φ2	  dep.	  analysis	Φ3	  dep.	  analysis	

methods	  • MulI-­‐parIcle	  correlaIon	  • Jet-­‐hadron	  /	  γ-­‐hadron	  correlaIon	  • Jet	  fragmentaIon	  funcIon	  • Di-­‐jet	  distribuIon	  APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	ηJet	  dep.	  analysis	

Yet	  another	  axis	  as	  a	  control	  parameter	  	  to	  deﬁne	  path	  length,	  geometry	  and	  expansion.	  Please	  join	  me,	  if	  you	  agree…	
ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

21	Φ1Cu	  y	Cu+Au	  	  collisions	beam	  z	Cu	  spectators		  (x)		  	  	  	  reacIon	  plane	  x	  	  	  	  	  (x-­‐z	  plane)	  Φ1Au	  parIcipants		  (-­‐x)	

(	  v1	  ∼	  <pX>	  )	Various	  ﬂow	  	  studies	  at	  RHIC	

200GeV	  Cu+Au	

Au	  spectators	
3He+Au	  collision	  data	  on	  tape	  in	  RHIC-­‐RUN14	

PHENIX,	  QM14	

η	arXiv:	  1312.4565	

hydro-­‐	  calculaIon	
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22	PRL112	  (2014)	  162301	  	  PRL	  112	  (2014)	  082302		  Beam	  energy	  	  dependence	  	  of	  	  v1,	  v2,	  HBT	  	  and	  charge	  asymmetry	  PHENIX,	  QM14	

∼vexpansion	

arXiv:1404.1433	

∼Δτ		  10∼100 GeV	APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

23	PRL	  112	  (2014)	  032302	

10∼100 GeV	arXiv:1402.1558	

There	  must	  be	  opImum	  acceptance.	

FluctuaIon	  of	  conserved	  quanIIes	  such	  as	  net-­‐baryon,	  net-­‐charge	  distribuIon	  	  STAR,	  QM14	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

24	Future plan
Full energy Pb+Pb collisions at LHC
Luminosity upgrade at LHC
Beam energy scan II at RHIC
A state-of-art jet detector at RHIC
Future facilities

FAIR at GSI(Darmstadt, Germany)	
J-PARC at JAEA/KEK
for heavy-ion collisions(Tokai, Japan)	

APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

25		  	  	  	  Summary	  	  • IniIal	  temperature	  and	  collecIve	  ﬂow	  via	  thermal	  photons	  • Partonic	  energy-­‐loss	  using	  jets	  and	  prompt	  photons	  • CollecIve	  ﬂow	  even	  in	  small	  system	  • Event	  shape	  selecIon	  as	  another	  control	  parameter	  • Beam	  energy	  scan	  to	  search	  for	  a	  criIcal	  point	  • Future	  faciliIes	  APS-­‐DNP/JPS	  joint	  meeIng,	  Waikoloa,	  Hawaii,	  7-­‐11/Oct/2014	

ShinIchi	  Esumi,	  Univ.	  of	  Tsukuba	

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