Measurement	  Of	  Direct	  Photon	  Azimuthal	  Anisotropy	  In	  Au+Au	  √sNN=200GeV	  Collisions	  at	  RHIC-­‐PHENIX	  experiment	Sanshiro	  Mizuno	  for	  the	  PHENIX	  collabora9on	  University	  of	  Tsukuba,	  RIKEN	  	  mail	  to	  :	  s1230082@u.tsukuba.ac.jp	  Photon	  analysis	  in	  Heavy	  Ion	  Collision	
Hadron	Photon	Photon	  analysis	  ü Advantage	  :	  Penetra9ng	  the	  medium	  	  Color-­‐less	  and	  charge-­‐less	  Access	  to	  the	  ini9al	  stages	  of	  collision	  Hadron 	  :	  aYer	  freeze-­‐out	  Photon	   	  :	  any	  stages	  	  Produc5on	  mechanism	  Ini5al	  hard	  sca7ering	  parton	  -­‐	  medium	  interac5on	  Jet	  fragmenta5on	  Radia5on	  from	  QGP	  and	  	  Hadron	  Gas	  hadron	  decay	  	  ü Disadvantage	  :	  Photons	  from	  diﬀerent	  stages	  	  superimposed	  2	What	  is	  direct	  photon	  ?	

pT(GeV/c)	

Direct	  photons	  are	  all	  photons	  except	  for	  those	  origina9ng	  from	  	  hadron	  decays	  (e.g.	  π0-­‐>γ+γ).	  
Photon	  sources	  should	  be	  iden9ﬁed.	  (pT,	  angular	  dependence)	  Ini5al	  hard	  sca7ering	
hard	  parton	  energy	  loss	
Jet	  fragmenta5on	(thermal?)	  radia5on	  from	  QGP	
(thermal?)	  radia5on	  from	  HG	hadron	  decay	
photon	  vn(M.Sanshiro)	

5me	

3	

Direct	  photon	  pT	  spectra	
P.R.L.	  104,	  132301(2010)	

P.R.C	  84,	  054906(2011)	

Photons	  from	  each	  source	  have	  diﬀerent	  pT	  distribu9on	  pa`ern.	  
Photons	  radiated	  from	  QGP	  and	  HG	  are	  dominant	  in	  low	  pT	  and	  frac9on	  of	  photons	  from	  other	  sources	  increases	  with	  increasing	  pT.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

4	

Medium	  eﬀect	  (RAA)	

evt 2)d NAA /dpT dy(1/NAARAA =inel ⇥ d2
< Ncoll > / pp
pp /dpT dy

RAA=1	  not	  modiﬁed	  RAA≠1	  medium	  eﬀect	  	  Hadron	  less	  than	  unity	  -­‐>	  medium	  eﬀect	  	  photon	  RAA=1	  :	  not	  modiﬁed	  	   	  -­‐>	  Emi`ed	  from	  ini9al	  hard	  sca`ering	  is	  dominant.	  
RAA<<1	  :	  There	  are	  other	  photon	  sources	  which	  is	  not	  in	  p+p	  collisions	  	   	  -­‐>	  radiated	  from	  hot	  medium??	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	
5	Radiated	  from	  very	  hot	  medium	
arXiv:1405.3940v1	

2
ca(1 + pT /b)
The	  pT	  spectra	  from	  p+p	  data	  is	  ﬁ`ed	  	  and	  extrapolated	  below	  2	  GeV/c.	  	  	  pT /Tef f	   AeThe	  excess	  of	  pT	  spectra	  are	  ﬁ`ed	  and	  	  eﬀec9ve	  temperature	  is	  extracted.	  	  	  It	  is	  about	  240	  MeV.	  (TFO≈100MeV)	  Photons	  are	  emi7ed	  from	  very	  hot	  	  medium	  at	  early	  5me	  of	  collisions.	

photon	  vn(M.Sanshiro)	

6	

Azimuthal	  anisotropy	  (Ellip5c	  ﬂow)	
charged	  par9cle	  dφ	  distribu9on	
R.P. )} + · · · ]

11000

dN
10000

v2	  d(Reac5on	  Plane	

R.P. )

N0 [1 + 2v2 cos{2(9000-3-2-1

0

1

2

3dφ(φ-­‐ΨR.P.)	

• anisotropic	  pressure	  gradient	  in	  par9cipant	  	  (Ini9al	  geometry)	  • QGP	  expansion	  (viscosity	  (η/s))	  • par9cles	  emission	  (coalescence)	  	  It	  relates	  par5cipant	  ini5al	  geometry	  and	  η/s	  of	  QGP.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

7	

Photon	  emi^ng	  angle	  dependence	  w.r.t.	  R.P.	
Parton	  Photon	  	  	  Angular	  dependence	  of	  emission	  	  Ini9al	  hard	  sca`ering	  :	  v2≈0	  Medium	  induced	  :	  v2≤0	  Jet	  fragmenta9on	  :	  v2≥0	  Radia9on	  from	  medium	  :	  v2>0	
Photon	  v2	  measurement	  is	  a	  powerful	  probe	  to	  constrain	  the	  photon	  	  source.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

8	

Very	  large	  direct	  photon	  v2	

P.R.L.	  109,	  122302(2012)	

It	  is	  consistent	  with	  hard	  photons	  produced	  in	  the	  ini9al	  hard	  collision	  	  at	  high	  pT.	  (RAA≈1)	  	  The	  strength	  of	  photon	  v2	  at	  low	  pT	  is	  comparable	  to	  that	  of	  hadron	  v2.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

9	Direct	  photon	  puzzle	
Ellip5c	  ﬂow:	  It	  is	  needed	  enough	  9me	  to	  get	  large	  collec9ve	  ﬂow.	  
Hadrons	  are	  emi`ed	  from	  QGP	  at	  freeze-­‐out,	  when	  it	  is	  late	  state.	  
Photons	  from	  QGP	  and	  HG	  are	  dominant	  at	  low	  pT	  and	  they	  have	  	  large	  v2.	  
-­‐>	  Photons	  are	  emi`ed	  at	  late	  state??	  	  pT	  spectra:	  radia9on	  from	  QGP	  and	  HG	  are	  dominant	  at	  low	  pT	  emi`ed	  from	  very	  hot	  medium	  (Teﬀ≈240MeV)	  at	  early	  9me	  	  	  There	  is	  discrepancy.	  
There	  is	  no	  model	  to	  explain	  simultaneously	  the	  both	  observable.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

10	

Third	  order	  azimuthal	  anisotropy	  (v3)	
dNd(n)= N0 [1 + 2vn =< cos{n(1Xn=1vn cos{n(n )} >n )}]Ψn	  :	  Par9cipant	  Plane	Ψ3	
Ψ2	v3	  is	  originated	  from	  ﬂuctua9on	  of	  par9cipants.	  
The	  higher	  order	  is	  expected	  to	  be	  more	  sensi9ve	  to	  ini9al	  geometry	  	  and	  η/s	  of	  QGP.	  
Ψ3	  and	  Ψ2(R.P.)	  should	  be	  independent.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	
11	

Why	  v3	  is	  measuremed?	
Eﬀec5ve	  Temperature	

Strong	  photon	  v2	  has	  not	  yet	  been	  understood.	  	  Radial	  ﬂow	  eﬀect	  :	  Eﬀec9ve	  temperature	  is	  aﬀected	  by	  	  radial	  ﬂow.	  
v2>0	  :	  v3>0	  	  Strong	  magne5c	  ﬁeld	  :	  Direc9on	  of	  magne9c	  ﬁeld	  and	  Ψ2(R.P.)	  	  are	  related.	  
v2>0	  :	  v3≈0	  	  	  v3	  measurement	  could	  provide	  addi9onal	  	  constrain	  photon	  produc9on	  mechanism.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

P.R.C	  89,	  044910	  (2014)	

B	
12	

Azimuthal	  anisotropy	  measurement	
CNT	  |η|	  <0.35	

1.0<	  |η|	  <2.8	

Reac9on	  Plane	  detector	  (RxNP)	  is	  used	  for	  	  measuring	  Event	  Plane.	  
Photons	  and	  π0	  are	  detected	  by	  EMCal	  in	  CNT.	

vn =< cos{n(n )} >photon	  vn(M.Sanshiro)	

13	

Analysis	  ﬂow	NCQ	  scaling	

1.	  π0,	  γinc.	  vn	  measurement	  	  	  	  	  arXiv:1405.3940	
2.	  γdec.	  vn	  es5ma5on	  from	  π0	  vn	  	  Meson	  spectra	  are	  assumed	  by	  mT	  scaling.	  
Meson	  vn	  are	  assumed	  by	  the	  number	  of	  	  cons9tuent	  quark	  (NCQ)	  scaling.	  	  	  
	  
inc.
dec.
3. γdir.	  vn	  calcula5on	  R⌫⌫nndir.
⌫=nRγ	  is	  measured	  by	  external	  	  R1photon	  conversion	  method.	
R = Ninc. /Ndec. 14	

π0	  and	  inclusive	  photon	  vn	  resuluts	
π0	  and	  inclusive	  photon	  v2	  and	  v3	  are	  measured.	  
Mesons	  vn	  are	  es9mated	  by	  the	  NCQ	  scaling	  from	  π0	  vn	  results.	

v2	
0.15

v3	
0.15

0.1

0.1

π0	  γinc.	

0.05

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

0.05

0002

40pT(GeV/c)photon	  vn(M.Sanshiro)	

24pT(GeV/c)

15	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
105

10

3

10
10

51015
p (GeV/c)

8

10

510-1

102

10-2

10-1

100

5T

0.2
0.15

meson	  v2	0.2γdec.	  v2	

0.15
0.1

0.05

0.05

00

00

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

-3

10-4

05T0.1

51T

1010-4-10

contribu9on	  ra9o	  (Ri)	

115

1015
p (GeV/c)
TmT	  scaling	  q0	  2
pT = p2T,⇡0 + Mmeson	  decay	  photon	  vn	  1015p (GeV/c)Tphoton	  vn(M.Sanshiro)	

vndec. =XiM⇡20

Ri vndec.i

16	Inclusive	  and	  decay	  photon	  vn	  comparison	Direct	  photon	  vn	  are	  extracted	  from	  the	  devia9on	  between	  	  inclusive	  and	  decay	  photon	  via	  below	  func9on.	  
inc.
dec.
R⌫⌫nn	⌫ dir. =nv2	
0.15

v3	
0.15

0.1

0.1γinc.	  
γdec.	

0.05

R10-­‐60%	  centrality	  AuAu	  200GeV	  E.P.	  :	  RxN(I+O)	

0.05

0002

40pT(GeV/c)photon	  vn(M.Sanshiro)	

24pT(GeV/c)

17	

The	  result	  of	  direct	  photon	  v3	0-60(%)
π0 v3γ inc. v30.1v3

v3

0.1

0.05

0.05

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

γ dir. v3

40p (GeV/c)
T24p (GeV/c)
TThe	  magnitude	  of	  γdir.	  v3	  is	  similar	  to	  π0,	  a	  similar	  trend	  as	  a	  seen	  in	  	  case	  of	  v2.	  
Photon	  azimuthal	  anisotropies	  may	  be	  aﬀected	  by	  expansion	  of	  QGP.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

18	

Centrality	  dependence	  of	  direct	  photon	  v3	0.220-40(%)
0.2

Au+Au
200GeVv3

v3

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

02

40p (GeV/c)
T2

40pT(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.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

19	

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

240
pT(GeV/c)

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

photon	  vn(M.Sanshiro)	

20	

Summary	
SoY	  photons	  have	  provided	  many	  interes9ng	  physics.	  
There	  is	  the	  direct	  photon	  puzzle,	  and	  it	  has	  not	  yet	  been	  understood.	  	  Direct	  photon	  v3	  is	  measured	  in	  several	  centrality	  bins.	  
It	  is	  observed	  that	  γdir.	  v3	  is	  non-­‐zero	  and	  posi9ve	  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.	  	  The	  results	  of	  direct	  photon	  v3	  could	  provide	  important	  keys	  for	  	  understanding	  photon	  produc9on	  mechanism.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

21	

photon	  vn(M.Sanshiro)	

22	

Event	  Plane	  correla5on	

P.R.L.	  107,	  252301	  (2011)	

Ψ2	  and	  Ψ3	  are	  uncorrelated.	
photon	  vn(M.Sanshiro)	

23	

Comparison	  of	  γdir.	  vn	  with	  the	  two	  methods	
gdirect (calorimeter)
gdirect (conversions)

v2

0.3

Au+Au
pRXP(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

012

3

40

1

23

pT [GeV/c]

401

234The	  calorimeter	  and	  conversion	  photon	  measurements	  are	  	  consistent	  within	  systema9c	  uncertainty.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

24	

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	  sta5s5cs	  photon	  vn(M.Sanshiro)	

Mvtx[GeV]	
25	

External	  conversion	  photon	

Real	  track	  es5mated	  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	  photon	  vMn(M.Sanshiro)	
[GeV]	
vtx

26	Comparison	  γdir.	  v3	0.10-60(%)

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

v3

v30-60(%)
0.1

200GeV

Au+Au

 



200GeV

0.05

0.05

000

γ dir. v3 (RxN(In)+MPC)

24p (GeV/c)

0T24p (GeV/c)
TRxN(I+O)	  :	  1.0	  <|η|<	  2.8	  RxN(In)+MPC	  :	  1.5	  <|η|<	  3.8	  	  The	  magnitude	  of	  v3	  is	  comparable.	
photon	  vn(M.Sanshiro)	

27	

Input	  decay	  photon	  :	  pT	  spectra	

0pT =

q

2
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.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

28	

Input	  decay	  photon	  :	  pT	  spectra	
The	  ra9o	  of	  Each	  meson	  pT	  spectra	  to	  π0	  pT	  spectra	  is	  known	  	  to	  be	  constant	  at	  high	  pT.	  	

photon	  vn(M.Sanshiro)	

29	

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%
0160-92%234123pT [GeV/c]

45photon	  vn(M.Sanshiro)	

30	

Comparison	  γdir.	  v2	  with	  theore5cal	  calcula5ons	
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

012

340123pT [GeV/c]

401

234van	  Hees	  et	  al:	  P.R.C	  84,	  054906	  (2011)	  Linnyk	  et	  al.:	  PHSD	  model,	  private	  communica9on	  photon	  vn(M.Sanshiro)	

31	

Iden5ﬁed	  charged	  par5cle	  vn	200 GeV Au+Au 0-50%v2{Φ2}0.2

π+πK+K
pp

0.15

Vn0.2

PHENIX Preliminaryv3{Φ3}x1.50.2

v4{Φ4}x1.50.2

v4{Φ2}x5.0

 -

0.15

0.15

0.15

0.1

0.1

0.1

0.1

0.05

0.05

0.05

0.05

0000:pT correlated sys. of π±012

34012

340123401234pT [GeV/c]It	  is	  observed	  that	  	  all	  harmonics	  have	  mass	  ordering	  there	  are	  meson	  and	  baryon	  spliyng	photon	  vn(M.Sanshiro)	

32	The	  number	  of	  cons5tuent	  quark	  scaling	  (NCQ	  scale)	
200 GeV Au+Au 0-50%

0.1 v {Φ }/n2/2
22q0.1 v {Φ }/n4/2x4.0
44q0.1 v {Φ }/n4/2x15
42q0.08  

0.08

0.08

0.06

0.06

0.06

0.04

0.04

0.04

0.04

0.02

0.02

0.02

0.02

00

0

0π+π-n/2

0.08

V n/nqPHENIX Preliminary

0.1 v {Φ }/n3/2x2.5
33qK+Kpp

0.06-

:KET correlated sys. of π±-0.02

00.5

11.5-0.02
2 00.5

11.5-0.02
2 00.51

1.5-0.02
2 00.51

1.5

2

KET/nq [GeV]All	  par9cles	  are	  scaled	  by	  modiﬁed	  NCQ	  	  scaling.	  

(a)	  :	  v2(KET)/nq	  (b)	  :	  vn1/n	  scaling	  (a)+(b)	  :	  vn(KET)/nqn/2	

photon	  vn(M.Sanshiro)	

33	

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.	  
photon	  vn(M.Sanshiro)	

34	

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.	
photon	  vn(M.Sanshiro)	

35