Transcript 高エネルギー原子核物理 - 小沢研究室

クォーク・グルーオン・プラズマ
小沢 恭一郎(東大・理)
素粒子・原子核物理学とは？
自然を支配する基本法則はどのようなものか
物質を構成する究極の要素は何か
宇宙はなぜ現在の姿になっているのか
宇宙にはどのような物質が存在し、それはどのよう
に作られたのか
２０００年以上も前から人類の探究心を駆り立ててやまないこれらの問い
に答えること、これが素粒子原子核物理学の究極の目標である。
日本学術会議 物理学委員会 素粒子・原子核物理学分科会報告
基礎物理学の展望 ～素粒子・原子核研究の立場から～ 及び 初田氏スライドより引用
クォークの閉じ込
めによるハドロン
の形成
安定な物質
を作るため
の核力コア
原子核反応
による発光
超新星爆発
を起こす核
反応
太陽
Big Bang
W
Z
Higgs
相転移
ν
クォーク・
グルオン
の世界
時間
超新星爆発
ハドロン
の世界
反クォーク・クォーク対凝縮
によるカイラル対称性の自
発的破れと質量の獲得
原子核
の世界
中性子星の
構造を支え
るクォーク
中性子星
現在の原子核研究の最前線
この辺の研究
クォークの閉じ込め
元は、ばらばらの状態
閉じ込められた状態
どのように閉じ込めは、起こっているのか？
現在では、閉じ込められた状態しか無いが、
閉じ込めが破れた状態の性質は？
ちなみに、クォーク・グルーオン・プラズマと呼びます。
物質の質量起源（陽子の質量起源）
1000000
100000
ヒッグス機構による裸の質量
の生成
QCD Mass
Higgs Mass
10000
1000
強い相互作用（QCD）による動
的な質量生成
100
10
クォークの閉じ込めと同時
に発生
1
u
d
s
c
b
t
物質の95%の質量は、強い相互作用によりダイナミックに生成される。ヒッグス機構
で生成される質量は、5%程度でしかない。
南部先生による対称性の自発的破れのアイデア
現在の原子核研究の最前線
この辺の研究
今日は、これらの強い相互作用の研究の
最前線で行われている実験の話
強い相互作用とは？
究極の小さな世界に働く力
強い相互作用には、クォークとグルーオンの2種類の粒子が関係している。
もっとも小さい粒子
クォーク
糊のようにくっつける粒子
グルーオン
陽子の中
強い相互作用の支配する世界
グルーオンがクォークの間を飛
ぶことで、強い力が働く
電磁気の場合は、光が飛ぶ。
強い相互作用は、Quantum Color Dynamics (QCD)で記述される。
強い相互作用の「電荷」
3種類も電荷がある！！（色電荷と呼ぶ）
電磁力 → 電荷 (+ -)
強い力 → 色電荷 (赤 青 緑)
陽子: u クォーク 二つと d クォーク 一つ
本当は、
赤色荷を持つ u クォーク
青色荷を持つ u クォーク
緑色荷を持つ d クォーク から成る
電磁相互作用との最大の違いは、
力を伝える粒子・グルーオンも色電荷を持つ
電磁力を伝える光子は、電荷を持たない。
力を伝える粒子が色電荷を持つって？
青クォーク
赤クォーク
反赤-青混合色 グルーオン
青クォーク
赤クォーク
グルーオンを交換するFeynman図
クォークは、グルーオンを出したり吸ったりして、
色を変えながら相互作用している。
そのため、途中に交換されるグルーオンは、必
然的に色をもってしまう。
何が起きるか？
強い力
電磁力の場合
＋
－
力が紐のように絞られて、広がらないので
グルーオン同士も相互作用する！！
距離によらず一定の力が働く
どんなに遠くに二つの粒子がいても引きあってしまうので、すべて
の安定状態は、外から見て色荷が見えないような状態となる。
これを、クォークの閉じ込め、と呼ぶ。
別の見方：閉じ込めと「真空」
閉じ込めは、僕らが「真空」と呼ぶ粒子の周りの空間の
性質によって起こっているという考え方もできる。
周りには何も無い
実際の中間子
Non-perturbative Vacuum
sc
c
s
c
s
c
s
Perturbative Vacuum
Perturbative Vacuum
周りには何も無いので自由
に手足を伸ばせる。
真空が“詰っている”ため、
閉じ込められる。
この真空中に詰ってしまう（凝縮）が、自発的に起こって、相互作用
が本来持っていた対称性を見えなくして、「真空」（基底状態）を変え
てしまうというのが、対称性の自発的破れ
対称性の自発的破れ
High Temperature
High Density
Quark is not confined.
Mass ~ 0
When T and r is
going down,
Quark – antiquark pairs
make a condensate and give
additional potential
Quark is confined.
Vacuum contains quark
antiquark condensates.
Vacuum
q
q
Vacuum
この時、破れる対称性がカイラル対称性
 右巻き粒子を右巻きに、左巻き粒子を左巻きにする
変換の上で成り立つ対称性
質量０なら成り立つ
有限質量では、成り立たない
 強い相互作用では、近似
的に成り立つ。
Divide with
chirality
Neglect (if m ~0)
実験の話へ
クォーク閉じ込めの研究
高温・高密度状態を加速器で再現し、クォークの閉じ込めを破る。



クォーク・グルーオン・プラズマの生成・発見
高エネルギー重イオン衝突実験（米国ブルックヘブン研究所）
QCD Lattice計算予想より十分大きなエネルギー密度を達成可能
 e > 5 GeV/fm3 を達成！(cf. 計算では、1 GeV/fm3以上でQGP)
どんな加速器が必要か？
達成されるエネルギー密度
十分な高温度を達成するため
高いエネルギーが必要
核子あたり200GeV
十分大きな領域を熱するため
大きな原子核の衝突が必要
金原子同士の衝突
200GeV
理論計算では、
ここより上なら
閉じ込めが破れる
衝突の重なり具合
実際に温度3兆度
程度を達成
ブルックヘブン国立研究所
どこにあるの？
マンハッタン
宇宙からも見える！
ブルックヘブン研究所
RHIC加速器を中心とした加
速器群と
医療、宇宙関係の研究施設
を併せ持つ総合研究所
原子核を加速する RHIC加速器
長さ 3.83 km
金原子核同士を
２つのリング
核子あたりの重心
系エネルギー
100GeVで衝突
どんな信号を捉えるか？
閉じ込めの破れの測定～ 中間子観測量の減少
真空中の中間子
高温状態
高温高密度状態
Non-perturbative Vacuum
c
c
Perturbative Vacuum
閉じ込められている
c
c
Perturbative Vacuum
閉じ込めが破れる
c
c
Color Screening
周囲のカラー荷で遮蔽
カラー遮蔽効果によってＱＧＰ中での収量減少
閉じ込めの破れを示す直接証拠
この粒子の収量（観測される数）を真空中での場合と比較
中間子を捉える検出器
 中間子は、初期の衝突により勝手に出来る。
 その後、電子対へ崩壊する
中間子
崩壊
崩壊して出来た電子対を捉えることで、
媒質中での中間子の数を数えること
ができる
電子 必要なこと:
陽電子
媒質
MJ/ψ2 = (E電子+E陽電子)2 + (P電子+P陽電子)2
崩壊で出来た電子と陽電子の運動量
磁場中での軌跡の測定を行う
飛んできた粒子が電子である識別
電子だけを捉える検出器を設置する
粒子測定のためのPHENIX実験装置
加速器中に置かれた実験装置です。
運動量の測定
 運動量の測定は、磁
場中での粒子の軌跡
を用いる。
電子
陽電子
磁場
P = 0.3 eBR
 P: 運動量[GeV/c]
 B: 磁束密度[T]
 R: 曲率半径[m]
 粒子の軌跡の測定に
は、位置検出器が用
いられる。
PHENIX実験では、
Drift Chamber
ガス検出器/Drift Chamber
 ガス増幅を用いた位置検出器
ガス中の細いワイヤに高電圧をかけ
ることで、放射線による電離電子の増
幅を行い、信号として検出する。
ガイガー検出器
時間情報を
使用
比例計数管
Drift Chamber
ワイヤ本数
を増やす
多芯式比例計数管
電子だけを捉える検出器（電子を識別）
 炭酸ガス中を電子が通過
することによって放出され
るチェレンコフ光を利用
Most hadrons
do not emit
Cerenkov light
mirror
Cerenkov
photons from
e+ or e- are
detected by
array of PMTs
ＲＩＣＨ
PMT array
PMT array
Electrons
Central Magnet emit
Cerenkov
photons
in RICH.
チェレンコフ光のリング
たくさんの光電子増倍管
 Photon detection device
 Hamamatsu H3171S







Cathode Diameter:
Tube Diameter:
Cathode:
Gain:
Operation Voltage:
Rise Time:
Transit Time Spread:
25 mm
29 mm
Bialkali
> 107
-1400 ~ -1800V
< 2.5ns
< 750ps
The arrays are
fabricated at SUNY
 A Winstone cone
 shaped conical mirror is attached to each
PMT
 Entrance: 50 mm, Cut off: 30
 Supermodule (2x16 PMTs grouped)
 40 super-modules per one side
 4 sides * 40 * 2* 16 = 5120 PMTs
 8 PMTs share the same HV channel
pixel size
1 degree x 1 degree
測定の結果
電子の運動量から不変質量分布を
導き出し、J/ψ粒子を探し出す。
MJ/ψ2 = (E電子+E陽電子)2 + (P電子+P陽電子)2
J/ψのピーク
電子の不変質量分布
質量分布中のピークを捉えることで、中間子の数を数えることが出来る！
中間子の数は？
縦軸は、陽子陽
子衝突からの予
想と実際の数の
比を取ったもの
減っている！
しかし、他にも考
えないといけない
効果が…
単純なモデルとの比較
単純に原子核に吸収
されてしまうモデル
モデルによる計算の線
高温・高密度の効果が見えている！
いろいろな効果を取り入
れて比較してみる
この線より下なら、確実に、クォークがば
らばらになったせいで、J/ψ粒子の数が
減っていると言えそう。
今までに無い高温・
高密度状態が生成
された証拠！！
新しい状態の発見！！
RHIC加速器で新たに作られた状態が、予想外の状態であったことを伝える新聞記事
宇宙初期の状態の解明に向けて、一歩進んだ。
質量獲得機構の研究～ 中間子の質量変化
真空中のφ中間子
Non-perturbative Vacuum
cs
反クォーク・クォーク
凝縮が解けることに
よる質量変化
cs
Perturbative Vacuum
真空中に反クォーク・クォークが凝縮し
カイラル対称性が自発的に破れている
高温状態
s
c
cs
Perturbative Vacuum
“真空中”の反クォーク・
クォーク凝縮が解けてカイラ
ル対称性が回復質量変化
中間子の質量変化が直接的な観測量
カイラル対称性の自発的破れは、
超伝導の相転移と同じ（普遍法則の存在）
これは、難しい…
高エネルギー原子核衝突での結果
●
●
ωφ
Au＋Au
p+p
J/y
Dalitz
Conversion g
バックグランド差引後
Raw spectrum
Invariant
mass spectrum
of e+e- in PHENIX
(Combinatorial
BG included)
0
1
2
3 [GeV/c2]
高エネルギー原子核衝突では、非常に多くの
バックグランドがあり、質量変化を捉えにくい。
現在、検出器のアップグレードを行い、再挑戦中
原子核を用いた質量起源の研究
同様の研究は、原子核を用いても可能
原子核
φ中間子
Non-perturbative Vacuum
埋め込む
cs
cs
Perturbative Vacuum
密度効果により反クォーク・クォーク凝縮が“一部”解けて
原子核中でカイラル対称性が“部分的”に回復質量減少
超伝導において、温度ではなく磁場をかけてもクーパー対が破れるのと同様の現象
原子核中に中間子を生成し、その質量変化を測定
KEKにおける過去の実験結果（原子核中）
r/w
Excess
f
Cu
Excess
bg<1.25 (Slow)
電子・陽電子対不変質量分布
このエネルギー領域でω/f中間子電子崩壊のピークを捉えた初めての実験
大立体角のスペクトロメータとしては、世界最高の分解能を達成
既存の粒子の寄与からだけでは説明できない質量分布の変化
但し、統計量が少なく、カイラル対称性が起源とは特定できず。
新たな加速器～J-PARCへ

さらに、大強度のビームを求めて、J-PARCへ
Hadron Experimental
Hall
Hadron Hall
NP-HALL
56m(L)×60m(W)
Hadron Hall
High pT
J-PARCでの系統的研究

明確な原子核内質量スペクトラムの測定が必要



例えば、Tailではなく、Double Peak
分散関係の測定によるモデルへの強いコンストレイン
ＱＣＤ的には、スペクトラムの平均が凝縮と関係づけられる
Cu
Excess
陽子
標的
bg<1.25 (Slow)
高統計・精密測定(E16)

分解能の向上


5 MeV/c2 を目標（2倍）
分散関係の測定（統計100倍）


10倍のビーム量（1010 per spill）
5倍のアクセプタンス、2倍の断面積
[GeV/c2]
新検出器（Gas Electron Multiplier）
Ar(90%)-CH4(10%)
• プラズマエッチング法を用
いて、企業との協力で製
作
Gain
104
3-GEM
2-GEM
・CERN-GEM
– CERN製と同様の性能
国産GEM
Ar(70%)-CO2(30%)
Gain
50μm
50μm
カプトン
104
３００
現在、開発を継続中
3-GEM
2-GEM
４００
[V]
増幅率
M.Inuzuka et.al. NIM A525,529
CsI cathodeを用いた光検出器
• 紫外域に感度を持つ光検出器
• 読み出しにStripやPadを用い
ることで位置情報も得られる
• 実験では、Window lessの
Cherenkov検出器の光検出
部分として用いられる。
• 具体的には、
– GEM３層を増幅部に使用
• １層あたりの増幅率は低く安定な
動作
– GEM上面にCsIを蒸着
– Radiator ガスと増幅用のガスに
CF4を用いた場合、５０ｃｍの
Radiatorの長さで約40個のp.e.
References
1. NIM A523, 345, 2004
2. NIM A546, 466, 2005
今、開発を始めたところ
他にも、いろいろな新しい環境
RHIC II
電子によるCoolingでLuminosity１０倍
CERN（スイス）
LHC加速器 ALICE実験
全周２７ｋｍ
５００００個のJ/ψが得られる。
(現在、５００個)
eRHIC
エネルギー
約３０倍
カラー凝縮の物理
より長い寿命のQGP
よりハードなプローブの可能性
まとめ
強い相互作用には、閉じ込めという奇妙な性
質がある。
クォークがばらばらになった状態を見つける
ために加速器、検出器を作って実験した。
ばらばらの状態を示す信号として、J/ψ粒子
の減少効果を考え、その測定をした。
さらに、質量起源にせまる実験を原子核衝突
を用いて行っている。
もっと興味があれば、
いつでもどうぞ
連絡先: 東大 理 小沢恭一郎
[email protected]
おまけ
研究生活
研究室の大学院生になると何をするか？
実験を、支える組織
13 Countries; 62 Institutions; 550 Participants*
 University of São Paulo, São Paulo, Brazil
 Academia Sinica, Taipei 11529, China
 China Institute of Atomic Energy (CIAE), Beijing, P. R. China
 Peking University, Beijing, P. R. China
 Charles University, Faculty of Mathematics and Physics, Ke Karlovu 3, 12116
Prague, Czech Republic
 Czech Technical University, Faculty of Nuclear Sciences and Physical
Engineering, Brehova 7, 11519 Prague, Czech Republic
 Institute of Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic, Na
Slovance 2, 182 21 Prague, Czech Republic
 Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC), Universite de ClermontFerrand, 63 170 Aubiere, Clermont-Ferrand, France
 Dapnia, CEA Saclay, Bat. 703, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
 IPN-Orsay, Universite Paris Sud, CNRS-IN2P3, BP1, F-91406 Orsay, France
 Laboratoire Leprince-Ringuet, Ecole Polytechnique, CNRS-IN2P3, Route de
Saclay, F-91128 Palaiseau, France
 SUBATECH, Ecòle des Mines at Nantes, F-44307 Nantes France
 University of Muenster, Muenster, Germany
 KFKI Research Institute for Particle and Nuclear Physics at the Hungarian
Academy of Sciences (MTA KFKI RMKI), Budapest, Hungary
 Debrecen University, Debrecen, Hungary
 Eövös Loránd University (ELTE), Budapest, Hungary
 Banaras Hindu University, Banaras, India
 Bhabha Atomic Research Centre (BARC), Bombay, India
 Weizmann Institute, Rehovot, 76100, Israel
 Center for Nuclear Study (CNS-Tokyo), University of Tokyo, Tanashi, Tokyo
188, Japan
 Hiroshima University, Higashi-Hiroshima 739, Japan
 KEK - High Energy Accelerator Research Organization, 1-1 Oho, Tsukuba,
Ibaraki 305-0801, Japan
 Kyoto University, Kyoto, Japan
 Nagasaki Institute of Applied Science, Nagasaki-shi, Nagasaki, Japan
 RIKEN, The Institute of Physical and Chemical Research, Wako, Saitama 3510198, Japan
 RIKEN – BNL Research Center, Japan, located at BNL
 Physics Department, Rikkyo University, 3-34-1 Nishi-Ikebukuro, Toshima,
Tokyo 171-8501, Japan
 Tokyo Institute of Technology, Oh-okayama, Meguro, Tokyo 152-8551, Japan
 University of Tsukuba, 1-1-1 Tennodai, Tsukuba-shi Ibaraki-ken 305-8577,
Japan
 Waseda University, Tokyo, Japan
 Cyclotron Application Laboratory, KAERI, Seoul, South Korea
 Kangnung National University, Kangnung 210-702, South Korea
 Korea University, Seoul, 136-701, Korea
 Myong Ji University, Yongin City 449-728, Korea
 System Electronics Laboratory, Seoul National University, Seoul, South
Korea
 Yonsei University, Seoul 120-749, Korea
 IHEP (Protvino), State Research Center of Russian Federation "Institute for
High Energy Physics", Protvino 142281, Russia
 Joint Institute for Nuclear Research (JINR-Dubna), Dubna, Russia
 Kurchatov Institute, Moscow, Russia
 PNPI, Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, Leningrad region,
188300, Russia
 Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State
University, Vorob'evy Gory, Moscow 119992, Russia
 Saint-Petersburg State Polytechnical Univiversity, Politechnicheskayastr, 29,
St. Petersburg, 195251, Russia
















Lund University, Lund, Sweden
Abilene Christian University, Abilene, Texas, USA
Brookhaven National Laboratory (BNL), Upton, NY 11973, USA
University o f California - Riverside (UCR), Riverside, CA 92521, USA
University o f Colorado, Boulder, CO, USA
Columbia University, Nevis Laboratories, Irvington, NY 10533, USA
Florida Institute of Technology, Melbourne, FL 32901, USA
Florida State University (FSU), Tallahassee, FL 32306, USA
Georgia State University (GSU), Atlanta, GA, 30303, USA
University o f Illinois Urbana-Champaign, Urbana-Champaign, IL, USA
Iowa State University (ISU) and Ames Laboratory, Am es, IA 50011, USA
Los Alamos National Laboratory (LANL), Los Alamos, NM 87545, USA
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Livermore, CA 94550, USA
University o f New Mexico, Albuquerque, New M exico, USA
New Me xico State University, Las Cruces, New Mexico, USA
Department of Chemistry, State University of New Y ork at Stony B rook (USB),
Stony B rook, NY 11794, USA
Department of Phys ics and Astronomy, State University o f New York at Stony
Brook (USB), Stony Brook, NY 11794, USA
Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Oak Ridge, TN 37831, USA
University o f Tennessee (UT), Knoxville, TN 37996, USA
Vanderbilt University, Nashville, T N 37235, USA
Map No. 3933 Re
August 1999




v. 2 UNITE D N ATIONS
Department of P ublic Informat ion
Cartographi c Section
実験体制
実験は、24時間体制で、約6ヶ月ほど続け
られます。準備も含めて、7ヶ月くらいは、
寝られない日々が続きます。
その間に、約 1000 テラバイトのデータを
ためます。
実験が終わった後に、半年から1年くらい
をかけて、必要な検出器の較正などを行
い、データの解析を行います。
大学院生などが、長期にわたって滞在す
ることも多いです。
実験の一生
考える
Ｊ－ＰＡＲＣ
作る
実験する
ＲＨＩＣ
解析する
55
研究室ガイダンス 小沢研 http://nucl.phys.s.u-tokyo.ac.jp/ozawa_g
例えば、僕が学生時代に作ったもの
56
研究室ガイダンス 小沢研 http://nucl.phys.s.u-tokyo.ac.jp/ozawa_g
57
研究室ガイダンス 小沢研
http://nucl.phys.s.u-tokyo.ac.jp/ozawa_g
現在、大学院生が行っていること

J-PARCでの実験に向け、企業と
協力し、最先端の検出器を開発
中

修士1年間の成果として、世界最高レ
ベルの性能を達成
GEM
最終的に、自分の実験と誇れる実験となる
58
研究室ガイダンス 小沢研 http://nucl.phys.s.u-tokyo.ac.jp/ozawa_g
大学での研究の基本は、“人材”
おたく
体育会
物理 or 実験が好き
59
研究室ガイダンス 小沢研 http://nucl.phys.s.u-tokyo.ac.jp/ozawa_g