Production of Charmonia in Cu+Cu and p+p collisions

at √sNN=200GeV

学籍番号 35-57017 織田 勧 ( おだ すすむ )

博士学位論文審査会2008 年 1 月 29 日 ( 火 ) 午後 3 時 30

分 -

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この発表の内容• クォーク・グルオン・プラズマ (QGP)

• 物理的動機・背景• RHIC-PHENIX 実験• データ解析• 結果および議論• まとめ

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銅原子核衝突における J/e+e-

陽陽陽陽陽陽陽陽 cJ/+e+e-

クォーク・グルオン・プラズマ(QGP)• 原子核

– クォークとグルオンが閉じ込められている

• QGP– 高温高密度で、閉じ込めから開

放された相• 理論予想

– 温度 150-200MeV 以上– エネルギー密度 ~1GeV/fm3 以

上で実現• 実験手法

– 高エネルギー重イオン衝突

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高エネルギー重イオン衝突の描像

衝突前 衝突後

衝突に関与する核子 (participant)

衝突に関与しない核子 (spectator)

衝突して生成された粒子

• 衝突係数 b によって様相が変わる。• 衝突に関与する核子数 (Npart)

– 陽子陽子 (p+p) 衝突では 2 個• 核子・核子の非弾性衝突の回数 (Ncoll)

– p+p では 1 回• Geometrical なモデル計算で推定 (Glauber モデル )

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Npart

赤 : 金 + 金青 : 銅 + 銅

Ncoll

赤 : 金 + 金青 : 銅 + 銅

高エネルギー重イオン衝突での J/ 生成

• 衝突前 : – Nuclear shadowing

• 原子核中でのグルオン分布の変化• 衝突初期 :

– 2 つのグルオンの衝突により、 J/ の前駆状態 ) ができる

• 生成数は Ncoll に比例するはず– Nuclear absorption / breakup

• J/ と核子の衝突により生成された J/ が分解する

• 熱平衡 : – QGP 中でのカラー遮蔽により、 J/ が分解す

る

• J/ は電子対 (e+e-) やミューオン対 (+-) に崩壊する ( 分岐比 ~6%) ので、実験で捉えやすい。

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動機 :QGP のプローブとしてのチャーモニウム

• QGP 中ではチャーム (c) クォークと反チャーム (c-bar) クォークを結びつけるグルオンが遮蔽され、チャーモニウムを形成しない。– 1986 年 松井・ Satz– チャーモニウムの収量の減少– QGP 生成の証拠

• cc-bar 間のポテンシャルは温度に依存する

Non-perturbative Vacuum

Perturbative Vacuum

cc

Color Screening

cc

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チャーモニウムの系

c(1S)

c(2S)

J/(1S)

(2S)c0(1P)

c1(1P) c2(1P)hc(1P)

JPC 0-+ 1-- 0++ 1++ 1+- 2++

DDbar threshold質量

分解温度が束縛エネルギーに依存すると予想される クォーコニウムがガリレオ温度計として使える

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半径

温度

“ 熱い” QGP がなくても減少して見える

“冷たい”原子核物質 (CNM) の効果

• チャーモニウムは主に 2 つのグルオンの衝突によって生成されるが、グルオンの分布は原子核と陽子の中で異なる。– Nuclear shadowing– 20% 程度の不定性

• チャーモニウム ( とその前駆状態 ) が原子核中の核子と衝突して、吸収・分解されてしまう。– Nuclear absorption / breakup

shadowing

anti-shadowing

EMC effect

Fermi motion

absLe

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RHIC での cc-bar 生成

J/

’

L

• 核子対当りの重心エネルギー√ sNN=17.3, 19.4GeV

• 鉛原子核衝突 , 208Pb+Pb• 硫黄・ウラン原子核衝突 , 32S+U• CNM を考慮しても、それよりさらに強い収

量抑制が見えた。– QGP 生成の兆候

生成されたチャーモニウムが通過する原子核の距離 L

9/41 CERN-SPS での J/, ’ の結果

B(

J//(

DY

)

BNL-RHIC での√ sNN=200GeV での金原子核衝突 (Au+Au) の結果

• RAA が 1 未満であり、収量抑制を示している– 最中心衝突で 0.3 未

満

• Npart<100 では統計量が少なく、 Ncoll の系統誤差が大きい

dy

dN

coll

dydN

AA pp

AA

NR

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J/ と c

• Color evaporation modelでは生成される J/ のうち– 6 割が直接 J/ として生成– 3 割が c からの J/– 1 割が’からの J/– 1% が B からの J/

と予想している。• でも、クォーコニウムの

生成機構を十分よく説明する理論モデルはない。

• c に関してはハドロン衝突の際の実験データは少なく、大きなばらつき。RHIC での測定が必要

2

1

1

JcJcJ JBR

JR

c

J/ のうち c の崩壊からできたものの割合。

BR(c1J/)=35.6 +/- 1.9%BR(c2J/)=20.2 +/- 1.0%

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研究の目的• SPS より重心エネルギーが 10 倍以上高い BNL

の RHIC の PHENIX 実験でチャーモニウムを用いて高温高密度状態を系統的に調べる。

1. Npart が 100 以下で高統計、高精度のデータが取得できる銅原子核 (63Cu+63Cu) 衝突の際の J/の収量を測る。– J/e+e-

– CNM の理解– QGP 中での J/ の分解温度を調べる

2. 陽子 (p+p) 衝突で J/ のうち c からできた割合Rc を測る。– cJ/+e+e-– J/ の生成源の中で不定性が最も大きい– 分解温度の束縛エネルギー依存性のために重要

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RHIC 加速器• 周長 3.8km

• 100GeV のビーム同士をぶつける。– p (A=1), d (A=2), Cu (A=63), Au (A=197)

PHENIX

PHOBOS BRAHMS

STAR

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RHIC の Run の履歴年 Run 核種 sNN

PHENIXの積分ルミノシテ

ィ2000 1 Au+Au 130 GeV 1 b-1

2001 2 Au+Au 200 GeV 24 b-1

-2002 p+p 200 GeV 0.15 pb-1

2002 3 d+Au 200 GeV 2.74 nb-1

-2003 p+p 200 GeV 0.35 pb-1

2004 4 Au+Au 200 GeV 241 b-1

p+p 200 GeV 324 nb-1

2005 5 Cu+Cu 200 GeV 4.8 nb-1

p+p 200 GeV 3.8 pb-1

2006 6 p+p 200 GeV 10.7 pb-1

2007 7 Au+Au 200 GeV 813 b-1

2008 8 d+Au

p+p

200 GeV

200 GeV

~80 nb-1

予定

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PHENIX 検出器

• Vertex( 衝突点 ) 、 centrality (~ 衝突係数 ) 、トリガー– チェレンコフ検出器 (BBC)

• 時間情報、荷電粒子の多重度

• Forward rapidity( ビーム軸方向 ) (1.2<|y|<2.2, =2, ミューオン )– トラッキング

• MWPC– ミューオン識別

• ドリフトチューブ• 鉄製吸収材

• Midrapidity( ビーム軸と垂直方向 ) (|y|<0.35, =/2x2, 電子、光子、ハドロン )– トラッキング

• ドリフトチェンバー (DC)• MWPC(PC1)

– 電子識別、トリガー• ガスチェレンコフ検出器

(RICH)• 電磁カロリメータ (EMCal)

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事象トリガー

J/e+e-

Beam-Beam Counter

少なくともどちらか一方を捉え、トリガーに使う。

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EMCal

RICH

• 非弾性衝突であることの Minimum Bias (MB) トリガー– 前方・後方の BBC ともに 1 本以上ヒットが

あること– PHENIX 検出器の中心からビーム軸方向に前

後 30cm 以内で起きたこと• 1 つ以上の ( 陽 ) 電子が放出されたことの

トリガー (EMCal-RICH トリガー (ERT))+MB トリガー– EMCal に大きなエネルギー (0.6-1.1GeV 以

上 ) があり、– 対応する RICH の PMT にヒットがあること

データ解析衝突係数、 centrality

2 つの BBC の電荷の和をスライスして、centrality( 衝突中心度 ) を決める。中心衝突 (b が小 ) が centrality=0% で、一番端であたった衝突 (b が大 ) が centrality=94%MB トリガーの検出効率が 94%

0-5%5-10%

90-94%

0-5%5-10%

90-94%

0-10%10-20%

90-94%

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b=0 fmb=10 fm

飛跡・ 3 次元運動量の決定• Vertex は BBC の時間情報で

決める。– p+p で約 2cm の位置分解能

• DC で方向の飛跡を決定し、横運動量を求める ( 積分磁場 0.78Tm) 。

• PC1(MWPC) で z 方向の位置を決め、 3 次元運動量にする。

• pT=1GeV/c で約 1% の運動量分解能

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電子識別 (1/2)• リング・イメージング・

チェレンコフ検出器のリングの領域に 2 本以上 PMT がヒットしていることを要求

• 1 気圧 CO2 ガス– 18MeV/c 以上の電子– 4.9GeV/c 以上のパイオン

• 私が運用・較正・保守を担当

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電子識別 (2/2)• EMCal

– 電磁シャワーだと仮定して、光量からエネルギーを再構成する。

– エネルギーと運動量の比 (E/p~1) 、z 方向、方向の位置の飛跡の外挿点からのずれの情報を使って、ハドロンのバックグラウンドを減らす。

• Cu+Cu でのハドロンの除去能 ~300 @~95% の電子の検出効率

E/p 方向のずれz 方向のずれ

光子識別• EMCal

– エネルギーが 0.3(0.2) GeV 以上– 電磁シャワーである確率が高いも

のだけを選ぶ

• DC, PC1– 荷電粒子の飛跡が近く (35cm×35c

m) にあるものは落とす。

• 検出効率 9 割

020.6<pT<0.65GeV/cE>0.2GeV

正規分布に標準化してある黒 : 実データ緑 : シミュレーション

-2 以上 +/-4 以下 +/-4 以下

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-2 0 6 -4 0 4 -4 0 4

Cu+Cu 衝突での電子対の不変質量分布• 全ての電子の候補でペア

を作って、不変質量を求めた。

• 2.9-3.3GeV が J/ の領域

• Unlike sign (e+e-)ペアから like sign(e-e-, e+e+)ペアの数を差し引いた。

• cc-bar, bb-bar の semi-leptonic 崩壊と Drell-Yanからの e+e- を差し引いた (event generator で推定した、 ~10%) 。

• Internal+external radiation も simulation で推定し(~12%) 、補正した。

• 最終的に見つかった J/は約 1400 個。

• 質量分解能 ~50MeV

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p+p 衝突での不変質量分布

• 2.9-3.3GeV の e+e-ペアと光子の候補の組み合わせ全部で不変質量を組み、分解能を良くするため、質量差にした。– c の質量分解能 ~50MeV– c のピークの兆候 (~80 個 )

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NJ/=4145赤 :e+e-

青 :e-e-,e+e+

Mass(ee)=Mass(J/)=3.097GeV Mass(e+e-)-Mass(e+e-)=Mass(c)-Mass(J/)~0.44GeV

J/ の不変収量にするための補正因子

• 検出効率・アクセプタンス acc – pT に依存

• ERT トリガー効率 ERT – pT と centrality に依存

• 高粒子多重度に関する補正 embed

– pT と centrality に依存

embedERTacc

MB

J

TTMB

TJ

TT

J

T

N

n

BR

pypN

pn

pdydp

Nd

p

BR

)(

)(

2

1

2

2

: 崩壊分岐比 J/e+e- 5.94%

: 捉えた J/ の数

: 解析した MB イベント数

: 補正因子

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検出効率・アクセプタンス

• 実際の検出器の不感領域を取り込んだGEANT シミュレーションで評価した。

• RICH と EMCal の応答の実データとシミュレーションの間での違いは -conversion とJ/ のピーク自身で評価し、数 %だった。

PC1 ヒットの z 分布

DC ヒットの分布

RICH のヒット PMT の数

リングR=3.4-8.4cm

円板R<11cm

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ERT トリガー効率

青 : 0.8GeV threshold 0-10% 赤 : 1.1GeV threshold 0-10%

• 実データから ( 陽 ) 電子の ERT トリガーの効率を random benefit 込みで求めた。

• J/ のトリガー効率は ( 陽 ) 電子のものから推定した。

centrality,sector,1centrality,sector,11centrality,

eIDcut,centralitysector,,

&ERTLL1_E&eIDcut,centralitysector,,centralitysector,,

,,,

eeTeeeTeT

T

TTe

ppp

pN

pNp

電子 + 陽電子1.1GeV threshold0-10%

J/

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↑random benefit による

高粒子多重度に関する補正

• Centrality の異なる実データの事象に、シミュレーションで作った J/e+e- を埋め込んで (embedding) 、再構成される J/ の数を比べることで、高粒子多重度による性能の悪化を評価した。

• 最大で 3% 。• pT 依存性は大きくな

かった。

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J/ が捉えられたときの c の条件付き検出効率

pT,c (GeV/c)

cJ/e+e-~10%

N

i JTERTJTeeaccJcTJ

JaccERTeeaccJJ c cc

c pppyyNR

1 /,/,/,detected /

/

1

//

11111

c のアクセプタンスJ/ 陽陽陽陽陽陽

c の条件付き検出効率J/ のアクセプタンス

候補ごとに検出効率を補正した後の質量分布

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結果 1: Rc

フィットから求めた Rc の確率分布0 1

-1 +1

10%

0.4

Rc<0.4 (90% の信頼度の上限値 )

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Rc に強いエネルギー依存性は無い。

[A.U

.]

Rc の理論計算との比較• チャーモニウムの前駆状態

としてカラー 1 重項だけを考慮したモデル (CSM) よりも、 8 重項も考慮したモデル (CEM, NRQCD) の方が合っている。

Color singlet model (CSM) NRQCD

Color evaporation model (CEM)

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Rc の測定からわかったこと

• RHIC のエネルギー (√s=200GeV) では J/のうち c からの寄与は Rc<0.4 (90% C.L.)と大きくない。

• エネルギー依存性も大きくない。• チャーモニウムの生成にはカラー 8 重項も

重要。• Rc=0.3 と予想する CEM とは矛盾してい

ない。

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結果 2-1: J/ の不変収量

T

pp

T

AA

dydp

Nd

coll

dydpNd

TAAN

pR 2

2

大きな pT 依存性はない。

pT=0GeV/c 5

RAA 2

1

0

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結果 2-2:RAA の衝突中心度依存性

dy

dN

coll

dydN

AA pp

AA

NR

Midrapidity, e+e-

Forward rapidity, +-

Cu+Cu でも J/ の RAA が 0.5まで抑制されている。

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重陽子・金原子核 (d+Au) 衝突から求められた冷たい原子核物質 (CNM) の効果

• 2003 年に行なわれた d+Au 衝突のデータと 2つの nuclear shadowingのモデル (EKS, NDSG)を用いて、 nuclear breakup cross section が求められた。

• breakup=1-5 mb

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後方ラピディティ-2.2<y<-1.2xAu~0.003

d Au

中央ラピディティ-0.35<y<0.35

xAu~0.02

前方ラピディティ1.2<y<2.2xAu~0.09

RdAu

Ncoll

冷たい原子核物質 (CNM) の効果

• EKS shadowing モデルと実データは誤差の範囲で一致している。• NDSG shadowing モデルでは CNM の効果は小さい。• 2 つのモデルの違いは異なる x 依存性と A 依存性による。

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Au+Au のデータとの比較

EKS shadowing モデル NDSG shadowing モデル

Midrapidity e+e-

Forward rapidity +-

Cu+Cu と Au+Au の RAA の振る舞いは一致している。中心衝突では CNM より大きな収量抑制がある。

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RAA( データ )/RAA(CNM)と Bjorken のエネルギー密度

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000

1

y

T

dy

dE

S 観測した横エネルギー分布と衝突関与部の断面積 S

と熱平衡に達するまでの時間 0 (1fm/c と仮定 ) から求めた。

2.5GeV/fm3~180MeV (g,u,d,s からなる QGP の場合 )

’J/X

cJ/

Direct J/J/自体が

分解している。

J/ の生成源~10%

~20%

~70%

モデル計算との比較

SPS での結果

RHIC での結果

No QGPNo QGPQGP

QGP

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SPS の結果を説明するモデルが、RHIC の結果を説明できていない。RHIC の結果は理論的には理解できていない。

結果 2-3: ラピディティ依存性

Cu+Cu ではラピディティ依存性は小さい

Au+Au の中心衝突では前方でより強い抑制。SCM モデルは似たような傾向を予想

HSD と comover は反対の傾向を予想

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結果 2-4:横運動量依存性

横運動量は centrality に大きくは依存していない。モデルと比較して議論するにはもっと統計量が必要。

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QGP を仮定したモデル

J/ の結果からわかったこと• Npart<100 のところで Cu+Cu と Au+Au の RAA は一致している。

• Cu+Cu では大きなラピディティ依存性、横運動量依存性はない。

• Cu+Cu の結果は d+Au のデータから決めた CNMの予測とおおむね一致。

• SPS と RHIC での CNM 以外の J/ の収量抑制はエネルギー密度のみに依っていると考えられる。– 0~2.5GeV/fm3, T~180MeV から抑制が始まっている。

• Cu+Cu の最中心衝突に対応する。

– Au+Au の最中心衝突では J/自体が分解している。

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まとめ• QGP のプローブとしてチャーモニウムを使っ

た。• RHIC-PHENIX 実験で、今までの金原子核 (197A

u) よりも小さな銅原子核 (63Cu) を使って、高統計、高精度のデータを取得し、小さい系での J/ の振る舞いを調べた。

• Cu+Cu では冷たい原子核 (CNM) の効果が支配的であることがわかった。

• p+p では J/ のうち c の崩壊からの寄与を測定し、 4 割以下だとわかった。

• SPS と RHIC での結果は CNM 以外の J/ の収量抑制はエネルギー密度のみに依っていて、 RHIC の Au+Au では J/自体が分解していることを示唆している。

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