Transcript 29pHA-5 2013/3/29

JPS 第68回年次大会
2013年3月26日～29日
@広島大学
ALICE実験√sNN=2.76TeV鉛原子核衝突における
直接仮想光子測定を用いた強磁場探索の展望
広島大理
辻 亜紗子
for the ALICE collaboration
29pHA-5 2013/3/29
日本物理学会＠広島大学 辻亜紗子
1
高エネルギー原子核衝突における強磁場生成
非中心衝突において非常に強い磁場が生成されている可能性．
B ~1015 Tesla @LHC
Strong magnetic field
B
cf.)
LHCの超伝導磁石 : 8.3 Tesla
電子の臨界磁場Bc : 4×109 Tesla
マグネターの表面磁場 : ~1011 Tesla
強磁場生成に伴う興味深い現象が議論されている．
シンクロトロン放射，複屈折，非線形QED….
しかし，いまだ検出はされていない.
研究目的:
強磁場の直接的検出
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2
直接仮想光子(低質量電子対)測定を用いた強磁場探索
磁場と垂直に出てきた仮想光子は磁場と強く相互作用して
電子対の生成確率が変化する．
 異方性測定
– In-plane (磁場と垂直)とout-of-plane(磁場と平行)で電子対の数の比をとる．
 偏光測定
– 磁場と垂直に出た電子対のdecay plane の向きで数の比をとる．
 理論計算による見積もり
– 数十パーセントの異方性/偏光が現れる．
– 現在の統計量で期待されるsignificance
• 異方性/偏光ともに1σオーダー
– 磁場の検出ができる可能性あり．
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電子測定と反応平面の決定
ALICE検出器
Inner Tracking System
トラッキング/衝突点測定
(粒子識別)
反応平面の決定(VZERO)
Event plane method
Flow
vector Chamber
Time
Projection
トラッキング/粒子識別
Q2.x   iw icos(2φ i )
Q2.y  iw isin(2φ i )
Event plane angle
Time Of Flight
1
粒子識別
Ψ  arctan(Q
2
2
2, y
, Q2,x )
電子識別(TPC&TOF)
VZERO A&C
• TPC で dE/dxを測定．
衝突中心度/反応平面
• 低/高横運動量領域で優れた
の測定
electron purityがある．
• TOFでハドロンを排除．
• Contamination は,
pT<1 GeVで 約 1~10%
データセット
2011年 鉛+鉛 √SNN=2.76TeV
LHC11h のうち約100kイベント (全体の約1%)
MB+Central+SemiCentral trigger
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異方性の測定方法
電子対の方位角とreaction plane angleの差
(ΔΦ=φee-ΨRP)で電子対を分けてその数を数える．
Anisotropy 
N  N//
N  N//
ΔΦ=φee-ΨRP
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電子陽電子対の異方性(120<Mee<300MeV)
異方性の衝突中心度依存性
(120<Mee<300MeV)
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
電子対の質量分布
(Unlike-sign・Like-sign)
S/Bcb ratio ~1%
 120<Mee<300MeVのすべての電子陽電子対を測定．
 Mee>100MeV : Combinatorial backgroundによる効果が約99％を占めている．
 今後， Combinatorics やhadron cocktail などバックグラウンドの差引を行う．
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電子陽電子対の異方性 (0<Mee<30MeV)
異方性の衝突中心度依存性
(0<Mee<30MeV)
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
電子対の質量分布
(Unlike-sign・Like-sign)
π0Dalitz崩壊が
支配的
 0<Mee<30MeVのすべての電子陽電子対の異方性を測定．
 Mee<100MeV : π0 Dalitz崩壊からくる電子対による効果が支配的．
→ 全ての電子陽電子対が持つ異方性は，π中間子のv2から見積もった
異方性と一致した．
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同符号(--)電子対の異方性
異方性の衝突中心度依存性
(0<Mee<30MeV)
異方性の衝突中心度依存性
(120<Mee<300MeV)
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
 同符号電子対の異方性を測定．(同符号(++)電子対でも同様の結果)
ほぼCombinatorial backgroundをみていることを意味する.
 Mee<100MeV : π0 Dalitz崩壊からくる無相関粒子による効果が支配的．
→全てのe+e-が持つ異方性は，π中間子のv2から見積もった
無相関粒子が持つ異方性と一致している.
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偏光の測定方法
磁場の影響を受けて偏光が期待される項
電子対のdecay planeと
反応平面がなす角
で電子対を分けて数える．
P 
Nzx  Nxy
Y’
B
Z
Nzx  Nxy
アクセプタンスを
考慮した偏光度
P
P  P//
1 PP//
P// 
Nzy  Nxy
Nzy  Nxy
電子対のdecay planeと
磁場が作る面(z-y)がなす角
で電子対を分けて数える．
Reaction plane
ALICE検出器のアクセプタンスを補正する項
9
(偏光しない)
電子陽電子対の偏光
0.0<Mee<30MeV/c2
 すべての電子陽電子対の偏光度を測定．
Combinatorics , hadron cocktail などの
バックグラウンドを含んでいる．
Unlike-sign(+-)
signal + background
 偏光度はどの質量領域でも０に一致．
Mee<100MeV : π0 Dalitz崩壊が支配的
→偏光しないので偏光度は0になる．
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
Mee>100MeV : combinatoricsが支配的．
→今後，バックグラウンドの差引を行う
120<Mee<300MeV/c2
Unlike-sign(+-)
signal + background
300<Mee<500MeV/c2
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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Unlike-sign(+-)
signal + background
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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まとめと今後の展望
 直接仮想光子(低質量電子対)測定を用いて，強磁場探索を
行っている．
 全統計の約1％の解析を行い，バックグラウンドを差引く前の
異方性と偏光の結果を得た．
- 異方性測定
Mee<100MeV : π中間子の異方性と一致.
Mee>100MeV : combinatorics による異方性が支配的になる．
- 電子陽電子対の偏光測定
どの質量領域(Mee<100MeV:Pi0 Dalitz, Mee>100MeV:combinatoricsが
支配的)でも偏光度は誤差の範囲で0に一致．
 全統計の解析を行い，Combinatorics やハドロン崩壊起源などの
バックグラウンドの差引により仮想光子成分を抽出し，異方性と
偏光の衝突中心度依存性や横方向運動量依存性などの系統的
測定を通して，強磁場の検出を目指す．
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Back up
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The field estimation
• Impact parameter, energy, and time dependence
Spectators and participants
Participants only
By A.Tsuji
Glauber model
√SNN=200GeV
Au+Au
JAM model*
t(fm/c)
Impact parameter b(fm)
– The field intensity reaches maximum in peripheral collisions
(Bmax~1015Tesla) and grows with the beam energy.
– The field rapidly damps, but is still above Bc for a few fm/c.
* JAM (Y.Nara, N.Otuka, A.Ohnishi, K.Niita, S.Chiba, PRC61 (2000) 024901)
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電子陽電子対の質量分布(PHENIX)
borrowed from PHENIX (PRL 104, 132301 (2010))
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電子陽電子対の異方性
 すべての電子陽電子対を測定．
(Combinatorics , hadron cocktail などの
バックグラウンドを含んでいる)
 0<Mee<30MeV : π0 Dalitz崩壊からくる電子対
が支配的であるはず．
→ 全ての電子陽電子対が持つ異方性は，
π中間子のv2から見積もった 異方性と
一致している．
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
 Mee>100MeV : Combinatorial backgroundが
約99％を占めている．
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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同符号(--)電子対の異方性
Like-sign(--)
 ほぼCombinatorial backgroundをみていること
を意味する.
 0<Mee<30MeV : 全てのe+e-が持つ異方性は，
π中間子のv2から見積もった無相関粒子が
持つ 異方性と一致している.
 Mee>100MeV : Combinatorial backgroundが
支配的になる．
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
 同符号(++)電子対でも同様の結果
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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同符号(++)電子対の異方性
Like-sign(++)
 ほぼCombinatorial backgroundをみていること
を意味する.
 0<Mee<30MeV : 全てのe+e-が持つ異方性は，
π中間子のv2から見積もった無相関粒子が
持つ 異方性と一致している.
 Mee>100MeV : Combinatorial backgroundが
支配的になる．
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
 同符号(--)電子対でも同様の結果
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
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理論計算の詳細
Di-electron production rate
R p1 p2

 2 
Im
G
*
R ( q , T , eB )
 3

L
(
p
,
p
)
D
(
q
,
eB
)
D
(
q
,
eB
)
1
2


q
d p1d 3 p2 d 4 x 2 4
T
E1 E 2 dN e  e 
0
e
by K.Ishikawa and A.Tsuji
p1,2 : 4D momentum of leg-electron
L : kinematics of electron pair
Last factor : approximated as a constant term
D: Photon propagator
D (q) 

 i   1 
g


(
q
,
B
)

q 2 
q2

Mee=200(MeV/c2)
B=1015(Tesla)
1
Vacuum polarization tensor in strong magnetic field

 g
 
N  g
 
 q q N

  (q, B)  g  q 2  q  q  g|| q||2  q|| q||  g  q2  q q N 0

||
q||2  q|| q||
1


q2
1
B
 


2
Kerbstein et al. Intl.J.Mod.Phys.[arXiv:1111.5984[hep-ph] / Hattori,Itakura [arXiv:1209.2663]
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How to calculate polarization
Calculate the angle between (Pe  Pe  ) and
①
(e X'  e Z )
②
(Pe   Pe  )  e Z
③ (Pe   Pe  )  (Pe   Pe  )X'Z
Y’
Y’
Y’
X’
X’
X’
Z
Z
This analysis
Developing better variables to calculate polarization
Y’ is magnetic field vector
X’-Z is reaction plane
: (Pe  Pe )

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Z

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How to calculate polarization

A  1
P// 
A  1
B

A  1  A  1 P
P 
A  1  A  1 P
A : ALICE検出器のアクセプタンス
P : 偏光度
P
P 
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Nzx  Nxy
Nzx  Nxy
Reaction plane
P  P//
1 PP//
P// 
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Nzy  Nxy
Nzy  Nxy
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