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Recent results from RHIC experiments -- QGP search and the spin program -- 金田雅司 理研-BNL研究センター 金田雅司, RBRC 1 Outlook 金田雅司, RBRC 2 RHICでの物理 QGP探索 PHENIX, STAR, PHOBOS, BRAHMS Spin asymmetry PHENIX, STAR, pp2pp pp 弾性散乱断面積 pp2pp 金田雅司, RBRC 3 Relativistic Heavy Ion Collider 周長3.83 km, 2つの独立した超伝導磁石を用いた加速器 最大100 GeV の金、250 GeV の陽子ビーム 200３年には 100 GeV の重陽子ビーム 5の実験グループ : PHENIX/STAR/PHOBOS/BRAHMS/pp2pp BRAHMS pp2pp PHOBOS PHENIX 金田雅司, RBRC STAR 4 QGP 探索 クォーク・グルーオン・プラズマ 高温/高密度状態で存在する新しい物質 の状態 存在がQCDによって予言されている • 初期宇宙, 中性子星, 相対論的重イオン 衝突 相対論的重イオン衝突実験 1970年代終わりに始まる Bevalac (LBNL), SIS(GSI), AGS(BNL), SPS(CERN) そして今BNLにおいて Relativistic Heavy Icon Collider (RHIC) での実験が進行中 金田雅司, RBRC 5 QGPの物理と探索 ハドロンの非閉じこめ状態 QGPへの相転移 カイラル相転移 カイラル対象性の回復/ＱＧＰ相の物性 最初にまず相転移の証拠をつか む必要があり、そのシグナルは 光子 • 高温のハドロン/QGPガスからの熱 的放射 レプトン • レプトン対 : カイラル相転移, QGP によるデバイ遮蔽 • チャームからの崩壊 : チャーム生成 の増加 ハドロン • 系の時空発展 – 温度, 膨張効果, バリオン • ストレンジネス生成の増加 • アイソスピンの局所的揺らぎ 金田雅司, RBRC 6 現在までの成果と理解 熱平衡状態の達成 方位角異方性 (v2) • 低い衝突エネルギー(sNN=1~20GeV)での結果に比べて大きなv2 • 流体力学モデルによる予想値に一致している 粒子生成比 • 温度 Tch~170MeV • QGP相近くのChemical freeze-outを示唆 • ストレンジネスも含めた熱平衡状態 横方向運動量 • 熱平衡＋横方向膨張モデルでよく記述出来る 反応初期における高密度物質生成の示唆 金+金中心衝突衝突ではp+p衝突に比べ • high pTでの粒子生成の抑制 – d+Auでは観測されていない • Back-to-Back Jet の抑制 – Jetの近傍での抑制はp+p,d+Au,Au+Auでは見られず – Au+Auのみで逆方向の抑制がみられた High pTでの粒子の抑制がパートンレベルで起こっている 金田雅司, RBRC 7 重イオン衝突後の時空発展 高エネルギー/高粒子密度下での多体系 高密度物質による • デバイ遮蔽、チャームの生成過多、ジェットのエネルギー損失、カイラル対称性回復に伴 うハドロンの質量・質量幅・崩壊比の変化 Cartoon of space/time expansion time 粒子生成量 パートン/ハドロン相からの膨張効果 終状態でのハドロン間の緩衝効果 Thermal (Kinetic) Freeze-out Hadron dominant elastic interaction dominant Parton dominant inelastic interaction dominant Chemical Freeze-out space 金田雅司, RBRC 8 運動量分布の方位角異方性(Low pT) 粒子発生源中心から外側への圧力勾配 膨張効果(フローと呼ばれている) 中心衝突 • radial flow 周辺衝突 • radial flow と anisotropic flow Almond shape overlap region in coordinate space 2 2 2 2 y x y x Momentum space z v 2 cos 2 atan py px In Perfect Hydrodynamical source, v2 is proportional to y x 金田雅司, RBRC 9 運動量分布の方位角異方性(high pT) High pT での粒子発生はジェットの寄与によると考え られる ジェット生成自体には方位角異方性は含まれない 周辺衝突において高密度物質によるエネルギー損失 （クエンチ効果)によるv2の記述 例えば M. Gyullasy, I.Vitev, X.N.Wong, PRL86(2001)2537 ジェット・クエンチなし • 初期のパートンが 楕円の様に分布し ていてもジェットの 発生確率は何処で も同じ • 運動量分布に方位 角異方性はない 金田雅司, RBRC ジェット・クエンチあり • 発生したジェットの 方向に高密度物質 があると、その方向 のジェットはエネル ギー損失を受ける • 運動量分布に方位 角異方性が現れる 10 荷電ハドロンの v2 (low pT) vs. 中心衝突度 central collision 130GeV Au+Au 衝突 STAR : PRL86(2001)402, PRC66(2002)034904 130 GeV Au+Au PHOBOS : PRL89(2002)222301 hydrodynamical limit 130 GeV Au+Au beam (collision) axis peripheral collision peripheral central peripheral central v2:楕円度 中心衝突に近いところでは • 流体力学モデルの計算がデータをよく再現している • 衝突後初期の段階に熱平衡に達成したと考えられる 金田雅司, RBRC 11 maximum <v2> (pT<2GeV/c) v2のエネルギー依存性 (low pT) RQMD(v2.4) RQMD: An event generator which includes only hadronic elastic/inelastic interaction ビームのエネルギーと共に増加 RHICでは非常に大きなv2を示している ハドロン相互作用だけを考えたモデルでは記述出来ない 金田雅司, RBRC 12 粒子識別されたハドロンv2 の pT 依存性 STAR: nucl-ex/0306007 200 GeV Au+Au central peripheral central collision beam (collision) axis central 200 GeV Au+Au PHENIX: nucl-ex/0305013 peripheral peripheral collision pT<2GeV/c 領域では流体力学モデルの計算と一致 High pTの領域でも有限なv2を示している 金田雅司, RBRC 13 High pT での v2 pT~8GeV/c辺りまで 有限のv2 より高いpTでのv2の 振る舞いは？ いくつかのモデルの 提唱 hydrodynamical model calc. phenix preliminary 200 GeV Au+Au pT [GeV/c] v2のパートン密度依存性 パートン・フローの寄与 金田雅司, RBRC 14 粒子生成比に対する熱・統計力学的描像 熱・統計力学のハドロン多体系への応用 J. Rafelski, Phys. Lett. B190 (1987) 167 粒子生成比をマクロスコピックなパラ メータで記述 ハドロン理想気体 グランド・カノニカル分布 Tch, mB, ms gs • gs=1 ストレンジネスが完全に熱 Lattice QCD predictions central collisions 130GeV ms=0 200GeV SPS 平衡に達している 同様にカノニカル分布を用いたモデルが p+p(p), e++e- 衝突での粒子生成比をよく 記述 [F.Becattini, EPJ C5(1998)143] ms0 ストレンジネス SIS to SPS, LEP, SppS での重イオン 衝突 • gs~0.5-0.7 RHICでの中心衝突のみが • gs~1 金田雅司, RBRC Baryon Chemical Potential mB [GeV] parton-hadron phase boundary <E>/<N>~1GeV, J.Cleymans and K.Redlich, PRC60 (1999) 054908 Neutron star From M.K.’s talk in the first joint meeting of JPS and DNP, Hawaii, 2001 + SQM2003 15 peripheral central 130 GeV 200 GeV mB/3 M.K.’s poster for international conference Strangeness in Quark Matter 2003 RHICでの化学平衡パラメータの中心衝突度依存性 •ストレンジネスポテンシャル ms がゼロに近い –相転移近くで、ケミカル・フリーズアウトしている • ms と相の境界の関係については、例えば PRD51 (1995) 1086、 PRC53 (1996) 1353 • ストレンジネスも完全な化学平衡に近づいて いる – 周辺衝突から中心衝突になるにつれRHICでのgs は 0.8 から 1.0へ増加 – AGS and SPS での重イオン衝突、p+p (SppS) e++e- (LEP) での衝突では 0.5-0.7を示している 金田雅司, RBRC 16 フィット結果の例 M.K.’s poster for international conference Strangeness in Quark Matter 2003 非常に多くの粒子生成比がたった４つのパラメータ (Tch, mB, ms and gs)で記述出来ている! 金田雅司, RBRC 17 pT Distributions (pT<2GeV/c) BevalacからSPSまでの解析結果分かってきたのは 重イオン衝突でのpT 分布は単なる p+p 衝突での分布の重ね合わせでは 記述できない 分布の逆傾きパラメータ • 質量とともに増加 • 衝突系と共に増加 局所熱平衡にある膨張している系と取り扱うと 上記の傾向は説明出来る Blast wave model E. Schnedermann et al., PRC48 (1993) 2462 Boosted No Boost NA44 : PRL78 (1997) 2080 s u ( t , r , z 0 ) (cosh , e r sinh , 0 ) tanh 1 r r s f ( x , p ) s r / R 金田雅司, RBRC n 18 130 GeV Au+Au 200 GeV Au+Au Tthとflowの中心衝突度依存性 K K0 s Blastwave model fit for STAR data From QM2002, M.K.’s poster [(GeV/c) - 2] K Data : O. Barannikova/F. Wang QM2002 Talk STAR: nucl-ex/0306029 Blastwave model fit for STAR data From QM2002, M.K.’s poster Centrality 0-5% 5-10% 10-20% 20-30% 30-40% 40-50% 50-60% 60-70% 70-80% 2 pT [GeV/c] d n 2p pT dy dp T T d 2n 2p p dy dp T [(GeV/c) -2] p pT [GeV/c] 金田雅司, RBRC 19 <r> [c] STAR 金田雅司, RBRC PHENIX Thermal (Kinetic) freeze-out 温度はAGS のエネルギー辺りから飽 和しているように見える Flow の強さはRHICの エネルギーまで増加して いる Tth [GeV] 衝突エネルギー依存性 20 Inverse slope parameter T [GeV] 全てのハドロンは同時にフリーズ・アウトしている? WA97: EPJ C14 (2000) 633 STAR: nucl-ex/0307024 line: E.Schnedermann et al. model ストレンジネスがp/K/pと共通の 温度・フローを持っているという 仮定からの偏差を示している RHICでも同様の傾向 金田雅司, RBRC 21 高密度物質によるジェットのエネルギー損失 エネルギー損失による High pTハドロンの生 成量の減少 方位角異方性 生成断面積 ジェット生成の概念図 ハドロン リーディング パーティクル q q • p+p衝突との比較 ハドロン ハドロン 高密度物質が あったとき リーディング パーティクル 金田雅司, RBRC 22 原子核補正係数 RAA R AA = d N AA / d p T d y inel N coll / σ NN d σ pp / d p T d y 原子核の効果による損失 RAA < 1 at low pT (ソフトなプロセ スの領域) RAA = 1 at high pT (ハードなプロ セスの散乱が支配的) AA AA AA “抑制” (あるいは増加, 例 えばCronin効果) RAA < 1 (> 1) at high pT 金田雅司, RBRC 23 Physical Review Lettersの表紙 Physical Review Letters, Vol.91, 072302-072305 Latest results of the PHENIX, PHOBOS, BRAHMS & STAR Collaborations from 200-GeV per nucleon gold-gold and deuteron-gold nuclear collisions. In the Au-Au data, high-transverse-momentum particles are suppressed (red data in PHOBOS & BRAHMS) and there is only one peak in the pair-correlation plot (STAR); both results are as expected if a quark-gluon plasma forms. A QGP is not expected in d-Au collisions and this data show no high-pT suppression (PHENIX) and two peaks. 金田雅司, RBRC 24 AuAu/pp と dAu/pp BRAHMS Au+Au衝突で はhigh pTでRAA が減少 PHENIX STAR 一方RdAは1以 上となっている Au+Au中心衝突での high pT領域の生成抑制は発生 した粒子が“冷たい”核子と相互作用した結果ではな い 25 金田雅司, RBRC バック・トゥ・バック 相関 リーディング・パーティクルをタ グし、その周りにある横方向運 動量の高いハドロンの相対的 な方位角分布を見る p+p, d+Au の間に顕著な 違いは見られない しかし Au+Au衝突では逆 方向の生成抑制が見られ た Au+Au衝突でのみクェン チ効果が起きている 金田雅司, RBRC ハドロン リーディング パーティクル STAR d+Au min. bias 26 ＱＧＰ探索に関する現在までの成果と理解 熱平衡状態の達成 方位角異方性 (v2) • 低い衝突エネルギー(sNN=1~20GeV)での結果に比べて大きなv2 • 流体力学モデルによる予想値に一致している 粒子生成比 • 温度 Tch~170MeV • QGP相近くのChemical freeze-outを示唆 • ストレンジネスも含めた熱平衡状態 横方向運動量 • 熱平衡＋横方向膨張モデルでよく記述出来る 反応初期における高密度物質生成の示唆 金+金中心衝突衝突ではp+p衝突に比べ • high pTでの粒子生成の抑制 – d+Auでは観測されていない • Back-to-Back Jet の抑制 – Jetの近傍での抑制はp+p,d+Au,Au+Auでは見られず – Au+Auのみで逆方向の抑制がみられた High pTでの粒子の抑制がパートンレベルで起こっている 金田雅司, RBRC 27 その他のトピックス dN/dh, dET/dh バリオン・ストッピング 粒子干渉を用いた時空発展の解析 イベント・バイ・イベントでの揺らぎ <pT>, Isospin 共鳴粒子の測定 p/K/pなどに比べてより早いフリーズ・アウト 生成メカニズム ベクター・メソン カイラル対称性の回復に伴う、質量、質量幅、崩壊分岐比の変化 光子の測定 高温・高密度物質からの熱的放射、コンプトン散乱 チャーム 生成過多 J/, デバイ遮蔽効果による生成抑制(?) 金田雅司, RBRC 28 ＲＨＩＣでのスピン物理 核子スピンの寄与はどこから？ 金田雅司, RBRC 29 スピン物理 現象論的観測量である“スピン” 0 . 1 ~ 0 . 3 クォークのスピンが寄 与する割合; Scheme dependent. J 1 2 スピンの方向をそろえて 衝突させること によりシンメトリーのテストを行う パリティ 時間 反転 金田雅司, RBRC 30 RHICでのスピン物理 偏極pp衝突で非対称性を測ることによりスピン の寄与を測定する Spin Structure of the Nucleon • Proton Spin Sum Rule • Transversity Distributions Spin Dependence of Fundamental Interactions • Parity Violating Interaction • T Violation CP Violation ( CPT = 1 ) Spin Dependence of Fragmentation • e.g. Lambda fragmentation function Spin Dependence in pp elastic scattering 金田雅司, RBRC 31 スピン偏極陽子衝突型加速器としてのRHIC Absolute Polarimeter (H jet) RHIC pC CNI Polarimeters BRAHMS & PP2PP PHOBOS RHIC s = 50 - 500 GeV PHENIX STAR Siberian Snakes Spin Rotators LINAC Partial Solenoid Snake Partial Helical Snake BOOSTER Pol. Proton Source 500 mA, 300 ms AGS 200 MeV Polarimeter AGS pC CNI Polarimeter AGS Quasi-Elastic Polarimeter Rf Dipoles 2001 - 2002 s = 200 GeV transverse polarized proton collisions 2003 s = 200 GeV longitudinal polarized proton collisions 2004 - 金田雅司, RBRC 32 スピン衝突パターン 系統的誤差を減らす為 バンチごとに異なったスピンの向きの 組み合わせ 加速器内にプロトンビームが回ってい る間に • スピンの向きを反転 • 組み合わせをずらす IP12 IP10 pp2pp PHENIX IP4 STAR IP4 and IP10 STAR and IP12 PHENIX and PP2PP 金田雅司, RBRC 33 積分ルミノシティ (PHENIX) pp-run-03 PHENIX integrated luminosity 352 nb-1 from 6.6x109 BBCLL1 triggers 1000.00 Extension: 180nb-1/wk, Polarization between 0.25 and 0.3. 2 IRs -1 Integrated Luminosity [nb ] 900.00 800.00 700.00 Integ. BBCLL1 STAR rotators Integ. ZDC 600.00 pp2pp 500.00 ZDC 400.00 Begin of Physics 300.00 200.00 BBC 100.00 Extended periods with polarization above 0.35 earlier in the run. Goal: 500nb-1/week at P=0.4 /5 /2 8 03 /5 /2 6 20 03 /5 /2 4 20 03 /5 /2 2 20 03 /5 /2 0 20 03 /5 /1 8 20 03 /5 /1 6 20 03 /5 /1 4 20 03 /5 /1 2 20 03 /5 /1 0 20 03 /5 /8 20 03 /5 /6 20 03 /5 /4 20 03 /5 /2 20 03 /4 /3 0 20 03 /4 /2 8 20 03 20 20 03 /4 /2 6 0.00 Date in proton run 金田雅司, RBRC 34 Factorization and Universality fi F x1 P1 P1 x 2 P2 s ij Jet fj Fragmentation Function P2 ds dx 1 dx 2 dtdz f (x 1 ) f ( x 2 ) i, j Proton Structure d 3s (q1q 2 q3 q 4 ) dx 1 dx 2 dt dF dz Hard Scattering Process Factorization ensures that parton distribution function at DIS and pp are the same objects 金田雅司, RBRC 35 プロセスとプローブ Processes hA signature l q q hB W l Gluon Compton High-pT prompt g Charmonium e+e-, m+m- Open Heavy Quark Light Flavor e+e-, m+m- ,em,e, m,, Jet(Charged Hadrons, p0) W Z boson,Drell-Yan) High-pT m , e, e+e-, m+m- p-p衝突でのいろいろなプロセスがプローブとして使用可能 金田雅司, RBRC 36 スピン非対称性の解析 A ds ds PB PY d s ds 1 1 N / L N / L PB PY N / L N / L PB , PY Beam polarization (Blue, Yellow) N , N Spin dependence of process of interest L , L Luminosity 1 N N (L / L ) PB PY N N ( L / L ) Relative Luminosity ++: parallel +- : anti-parallel Run3のデータ解析 現在までの成果として p0 ALL (縦偏極衝突での非対称性) 平均の陽子スピン偏極度 = 26% N++, N+- : p0の数 レラティブ・ルミノシティの精度： R=2.510-4（統計誤差のみ） 金田雅司, RBRC 37 Relative Luminosity • Special scalers used Counts live trigger in each bunch crossing 4 inputs – for syst. error study: Beam Beam Counter and Zero Degree Calorimeter used – different kinematical region, different physics signals ALL vs fill • Systematic error study through comparison of counts from different detectors – look at ratio of 2 detector scalers crossingby-crossing: • a(i) = NA(i)/NB(i) – Ratio should be the same for all crossings (constant) if: • NA(i) = L * εA and NB(i) = L * εB – B is always the counts from the BeamBeam Counter (BBCLL1), A is one of the other scalers. – Fit this by the expected pattern: • a(i) = C[1+ALLP1(i)P2(i)] • C, ALL are the fitting parameters. – c2 is a very important check of systematic errors 金田雅司, RBRC 30 c2/NDF vs (ALL) 20 10 Not so good, but … 38 Relative Luminosity (cont’d) Vertex(衝突位置)の不確定性 はレラティブ・ルミノシティ測定 に影響がある After vertex correction ALL vs fill ZZDC/ZBBC vs z-vertex width 3 c2/NDF vs (ALL) 2 1 Now c2/NDF1 金田雅司, RBRC 39 Relative Luminosity: Run3での結果 R=2.510-4の精度（統計エラーのみ）達成 Pessimistic estimation limited by ZDC statistics (30 times less than BBC statistics used in Relative Luminosity measurements) レラティブ・ルミノシティの p0 ALL への寄与は0.2%以下 平均の陽子スピン偏極度 = 26% ALL of BBC relative to ZDC consistent with 0 (<0.2%) Strong indication that both ALLs are zero (very different kinematical regions, different physics signals) 金田雅司, RBRC 40 使われたデータ・セット High pT 光子トリガーで収集されたデータを 使用 電磁熱容量計; 閾値 ~1.4 GeV/c リジェクション・ファクター ~110 解析に使用されたイベント数: 42.7M (~0.215 pb-1) 平均陽子スピン偏極度 <PbPy>~26% ミニマム・バイアス・データ “バイアスの無い” p0 生成断面積 を low pTで得るため High pT 光子トリガーの検出効率の見積もり 金田雅司, RBRC 41 Photon trigger efficiency for p0 Data MC p0 pT (GeV/c) 金田雅司, RBRC Pi0 efficiency plateaus for pT>4 GeV/c Limitted efficiency at pT<4 GeV/c: 1-2 GeV/c: 6% 2-3 GeV/c: 60% 3-4 GeV/c: 90% 4-5 GeV/c: 95% Monte Carlo reproduces Data well 42 sp0: p0 reconstruction pT= 1.5-2.0 GeV/c mass [GeV/c2] 金田雅司, RBRC 43 p0 生成断面積 Run-2 results submitted to PRL, hep-ex/0304038 9.6% normalization error not shown Results consistent with pQCD calculation Favours a larger gluon-to-pion FF (KKP) Important confirmation of of theoretical foundations for spin program Run3 results reproduces Run2 results 金田雅司, RBRC Confirms the Run-3 data reliability and consistency Run3 data reaches even higher pTs; results will be finalized soon 44 p0 の数とバックグランド 1-2 GeV/c Background =45% 2-3 GeV/c B.G.=17% Results obtained for four pT bins from 1 to 5 GeV/c p0 peak width varies from 12 to 9.5 MeV/c2 from lowest to highest pT bins 3-4 GeV/c B.G.=7% 金田雅司, RBRC 4-5 GeV/c B.G.=5% Background contribution under p0 peak for 25 MeV/c2 mass cut varies from 45% to 5% from the lowest to highest pt bins 45 p0 の数の見積もり Np0: 25 MeV/c2 around p0 peak (and also 15 and 35 MeV/c2 for cross checks) Nbck1: Two 50 MeV/c2 wide areas adjacent to p0 peak Nbck2: 250 MeV/c2 wide area between p0 and h peaks Np0 and Nbck accumulated statistics pＴ [GeV/c] Np0 15 MeV/c2 Np0 25 MeV/c2 Np0 35 MeV/c2 Nbck1 Nbck2 1-2 1278k 1777k 2129k 1470k 3478k 2-3 874k 1059k 1146k 335k 989k 3-4 176k 201k 208k 27k 83k 4-5 34k 38k 39k 3.9k 12k 金田雅司, RBRC 46 p0 ALLの計算 全てのビームのfillにわたった平均ALL 1-2 GeV/c 1-2 GeV/c ALL= -2.8%±1.2% c2/ndf = 64/48 2-3 GeV/c 2-3 GeV/c ALL= -2.2%±1.5% c2/ndf = 34/48 3-4 GeV/c 3-4 GeV/c 4-5 GeV/c ALL= -0.2%±3.3% c2/ndf = 49/48 4-5 GeV/c ALL= -2.3%±7.4% c2/ndf = 39/48 金田雅司, RBRC 47 p0 ALL p0+bck 15 MeV/c2 p0+bck 25 MeV/c2 p0+bck 35 MeV/c2 Bck1 Bck2 金田雅司, RBRC 48 200 GeV p+p 衝突での p0 ALL pT [GeV/c] p 0 bck ALL p0 bck ALL (rbck) ALL lines: B.Jagger e al., PRD67, 054005 (2003) (Background subtracted) 1-2 -0.0280.012 (45%) -0.0060.014 -0.0460.025 2-3 -0.0220.015 (17%) -0.0350.027 -0.0190.019 3-4 -0.0020.033 (7%) 0.0940.092 -0.0090.036 4-5 -0.0230.074 (5%) 0.380.24 -0.0450.079 Polarization scaling error P ~30%: is not included Enters to ALL quadratically Analyzing power AN(100 GeV) ~ AN(22GeV) is assumed P~30%: combined stat. and syst. error for AN(22GeV) (AGS E950) 金田雅司, RBRC 49 まとめ QGP探索 熱平衡状態の達成 反応初期における高密度物質生成の示唆 初期状態をより反映した測定量、及びより高い横運動量領域での精密測定の 必要性 • • • • • マルチ・ストレンジネス・バリオン ベクター・メソン 光子 チャーム J/, 衝突エネルギー、ビーム核種スキャンにより相転移点の探索 スピン物理 世界で始めて縦偏極によるp+p衝突によって結果を得た しかし、より精密な測定をしグルーオンのスピンの寄与を測るには • 偏極度の向上 • 積分ルミノシティの向上 など、加速器の性能を上げる必要性がある 金田雅司, RBRC 50