Transcript Physics of Relativistic Heavy Ion Collisions at LHC

原子核三者若手夏の学校２０１５
• 重イオン衝突の物理概観（スライド）
• 流体モデル（スライド）
• 相対論的流体力学（板書）
• 重イオン衝突の物理に親しむ
• 相対論的流体力学に親しむ
原子核三者若手夏の学校２０１５
1.物質創成機構の解明、
初期宇宙での極限物
質の様相とその進化
の理解
time
collision axis
0
http://www-utap.phys.s.utokyo.ac.jp/~sato/index-j.htm
Big Bang
タイムス
~10-5 秒（輻
ケール
射優勢期）
膨張率
~105 /秒
ハッブル膨 ３次元
張
脱結合
光子
スペクトル 赤方偏移
平坦性メカ インフレー
ニズム
ション
Little Bang
~10-23 秒
~1023 /秒
１次元
ハドロン
青方偏移
カラーフラックス
チューブ（？）
2. 高密度ＱＣＤ多体系
の相構造の解明、高
密度極限における物
質の様相
「原子核物理学」滝川昇（朝倉書店）
3. ＱＣＤ真空の構造、
ハドロン質量発現機
構の解明
対称性のある真空
ヒッグス凝縮
カイラル対称性
の破れた真空
物理的真空に“穴”を開けることができるか？
その“穴”が動的にどう修復されるか？
4. 高強度ゲージ場と非
平衡ＱＣＤのダイナ
ミクスの解明
𝑠𝑁𝑁 = 200GeV
𝑠𝑁𝑁 = 2.76 5.1 TeV
(RUN2, 2015-18)
PHENIX
STAR
ALICE
ATLAS
RHIC
CMS
LHC
衝突エネルギー：a few GeV to TeV
衝突核種：p, d, 3He, 63Cu, 197Au, 208Pb,
解析手法に工夫
 中心度（当たり具合）
 トリガー
238U
Stock(2008, Jaipur)
衝突エネルギー↑
粒子密度↑
バリオン密度↓
LHC RHIC SPS
AGS
Fukushima (2009)
重イオン衝突で相図上のスキャンしうる領域の目安
数少ないパラメータのなか一つの切り口
衝突径数により現れ方が違う物理
time
collision axis
0
TH(2014)
QCDですべて記述できれば良いのだが…
1. バルク成分
• 系自体を構成
• 系の歴史を反
映
• 低運動量ハド
ロン
2. プローブ成分 3. 放射成分
• 系を通過
• 系から放射
• プローブの軌 • 系の内部情報
跡上の系の情
を反映
報を反映
• 熱光子、熱レ
• 高エネルギー
プトン対
クォーク、重
クォーク（が
ハドロン化）
• クォーコニウ
ム
time
放射
プローブ
collision axis
0
time
5. ハドロン自由粒子
4. ハドロンガス
3. QGP流体
2. グラズマ
collision axis
0
1. カラーグラス凝縮
Courtesy of K. Watanabe
高エネルギーハドロン/原子核衝突
グルーオンの塊同士の衝突
McLerran, Venugopalan, Balitsky, Kovchegov,
Jalilian-Marian, Kovner, Leonidov, Weigert, …
Courtesy of K. Watanabe
エネルギー
プローブによる
見え方の違い
分解能
ハドロン・原子核の“相図”
QCDに根差した
高エネルギー
ハドロン・原子核
の普遍的な姿
の理解へ
time
5. ハドロン自由粒子
4. ハドロンガス
3. QGP流体
2. グラズマ
collision axis
0
1. カラーグラス凝縮
カラーグラス凝縮から
クォーク・グルーオン・プラズマ
へ向かう中間状態
Lappi, McLerran (2006)
衝突直後
の原子核
 カラー荷
を持つ極板
カラー
フラックス
チューブ
原子核の運動
エネルギー
カラー場の
エネルギーと
して蓄え
“QCDコンデンサーのダイナミクス”
T.Matsui (1987)
Lappi, McLerran (2006)
衝突直後
𝑇𝜇𝜈
?
𝑒0
𝜏=
0+
=
𝑒0
−𝑒0
ダーク
エネルギー
もどき
グラズマの時空発展
• カラーフラックスチューブの崩壊
• 流体化、等方化、局所熱平衡化、、、
流体化
𝜇𝜈
𝑇LRF
𝑒0
𝑒
𝜏iso /𝜏therm =
𝑃𝑇
𝑃𝑇
𝑃𝐿
time
5. ハドロン自由粒子
4. ハドロンガス
3. QGP流体
2. グラズマ
collision axis
0
1. カラーグラス凝縮
エネルギー運動量保存則：𝜕𝜇 𝑇𝜇𝜈 = 0
𝜇
カレント保存則：𝜕𝜇 𝑛𝑖
=0
バルクな性質（状態方程式）：𝑃(𝑒, 𝑛𝑖 )
輸送的性質（輸送係数）：𝜂, 𝜁, 𝜅, …
☺ 保存則に根差している
QGP物性量に直結している
☹
局所熱平衡を前提
初期条件をどうするか、どこで止めるか
time
5. ハドロン自由粒子
4. ハドロンガス
3. QGP流体
2. グラズマ
collision axis
0
1. カラーグラス凝縮
• クォークやグルーオンの再閉じ込め
• Crossover  ×相分離
• 流体力学はマクロ変数のみ
• ミクロなメカニズム？
 Recombination?
• ハドロン化後の時空発展
希薄になりどこかで流体描像は壊れる
 ハドロンカスケード(UrQMD, JAM)が主流
（低エネルギー衝突からの蓄積）
Courtesy of S. Takeuchi
phi
Omega
断面積を反映した運動学的時空発展
Courtesy of H. Hinohara
0.3 < 𝑝𝑥 < 0.9 GeV/𝑐
非自明な時空相関
目安となるスケール
𝑇~160 MeV
𝜀~1 GeV/fm3
WHOT-QCD(2012)
STAR(2008)
𝜖𝐵𝐽 𝜏~15 GeV/fm2 @LHC
Toia(QM11)
𝜏 = 1fm/cとすると
QGP生成に十分な
エネルギー密度
• 熱平衡と関係な
い
• 時刻は不定
• 仕事は無考慮
Andronic (QM12)
化学平衡と無矛盾（≠必要十分）
ハドロンカスケードによる補正が必要
ダイナミカルな判定
未発見のストレンジハドロンの影響？(Bazavov et al. 2014)
PHENIX (2010)
ALICE (2012)
𝑇 = 304 ± 51stat+stat MeV
𝑇 = 221 ± 19stat ± 19syst MeV
QGP生成に十分な（見
かけ上の）温度
 膨張のドップラー効
果𝑣2 , 𝑣3 ?
• 参照系としての陽
子ー陽子衝突
• 初期効果を知るため
の陽子ー原子核衝突
• QGP生成のための
重イオン同士の衝
突
CMS(2015)
[email protected]でも𝑣2 {𝑛 ≥ 4}が有限
× 初期 or 終期
○ 初期 or（初期＋終期）
• 複雑な反応は第一原理(QCD)で記述する
ことが難しい。時間スケールやエネル
ギースケールで反応を分解
• 個々の物理には豊富なトピック
• 自分なりの全体像を持って新しいデータ
に備える（木を見て、森も見る）
• 今後は実験解析、理論計算が精密化の方
向若手の力が必要