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QGP の“発見”から“物性物理”に向けて

RHIC II & LHC における. RHIC における. QGP の“発見”から“物性物理”に向けて. 平野哲文 コロンビア大学. We are here!. KEK 研究会「ＱＣＤとハドロン物理の新展開 」. 2004 年のノーベル賞. D. Gross. H. Politzer. F. Wilczek. for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction. カラー の閉じ込めと漸近的自由性. クォーク・反クォーク間の 閉じ込めポテンシャル.

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QGP の“発見”から“物性物理”に向けて

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Presentation Transcript

  1. RHIC II & LHCにおける RHICにおける QGPの“発見”から“物性物理”に向けて 平野哲文 コロンビア大学 We are here! KEK研究会「ＱＣＤとハドロン物理の新展開 」

  2. 2004年のノーベル賞 D. Gross H. Politzer F. Wilczek for the discovery of asymptotic freedom in the theory ofthe strong interaction

  3. カラーの閉じ込めと漸近的自由性 クォーク・反クォーク間の 閉じ込めポテンシャル F.Karsch and E.Laermann, QGP3 S. Eidelman et al., Phys. Lett.B592, 1 (2004) “スケール”によるQCDの二面性 × 摂動　◎ 摂動

  4. 多体系QCD 如何にスケールを上げるか？ • 圧力を加える密度のスケールの増大 • 熱を加える温度のスケールの増大 クォーク・グルーオン・プラズマ(QGP) （クォークとグルーオンを最小構成単位とする「物質」） QGPは本質的に弱く相互作用をするパートンの集まり？

  5. と、ここまでは30年来なされてきた weakly coupled/interacting Quark Gluon Plasma (wQGP) のイントロ しかし、RHICの重イオン衝突反応で 作られた(?)QGPは 強く相互作用をする strongly coupled/interacting/correlated Quark Gluon Plasma (sQGP)

  6. Outline • “中心度”という概念 • 基本チェック • 重イオン衝突反応のダイナミクス • 完全流体QGPの“発見” • 重イオン衝突反応における物性物理に向けて • カイラル対称性の回復 • ジェットトモグラフィー • QGPの輸送的性質 • まとめ

  7. 重イオン衝突特有の物理量ー中心度、Npart, Ncollー 原子核の厚み関数: 金の原子核: r0=0.17 fm-3 R=1.12A1/3-0.86A-1/3 d=0.54 fm Woods-Saxon型核子密度関数: 核子の衝突回数 y x sin ~ 42mb @200GeV

  8. 重イオン衝突特有の物理量ー中心度、Npart, Ncoll（つづき）ー 衝突に関与した核子数： 1－（生き残り確率） 小：Npart,Ncoll  中心度  大：Npart,Ncoll （大衝突径数小）

  9. 基本チェック

  10. チェック I: エネルギー密度は十分か Bjorkenの公式 t: 固有時 y: ラピディティ R: 有効半径 mT: 横質量 Bjorken(’83)

  11. Lattice QCD計算 Stolen from Karsch(PANIC05)

  12. エネルギー密度の中心度依存性 もしt=1fm/c ととれば ecよりも十分上 ec from lattice PHENIX(’05)

  13. 注意事項　I • 必要条件o.k.でも熱平衡しているか？ • どうやって時間tを決めるか？ • どうやって面積pR2を決めるか • もし熱平衡していれば仕事pdVのおかげで実はもう少し大きな値になる。

  14. チェック II: 化学平衡（“温度”情報） 直接放出 レゾナンスからの寄与 Two fitting parameters: Tch, mB

  15. Good job!? T=177MeV, mB = 29 MeV Latticeの予言するTcに近い

  16. 注意事項 II • 実はe+e-やpp衝突でもfitできてしまう See, e.g., Becattini&Heinz(’97) • そうなると得られた結果の意味は？ See, e.g., Rischke(’02),Koch(’03) • 何故Tcに近い? • 重イオン衝突におけるハドロン物質は化学平衡にない！？ • 本質的に動的な過程 膨張の割合 　　　 散乱する割合 (素過程に依存) see, e.g., U.Heinz, nucl-th/0407067

  17. チェック III: 横方向のフロー Sollfrank et al.(’93) Blast waveモデル (熱平衡+ドップラーシフト) 圧力勾配がフローの駆動力 Inside: 高圧（運動学的平衡） Outside: 真空 重い粒子ほどフローの影響を 受けやすい

  18. スペクトルの形の変化 pp & dAu: べき則 Au+Au: 上に凸 べき則 熱平衡＋ドップラーシフトの描像とコンシステント O.Barannikova, talk at QM05

  19. 注意事項 III • 実はppでも有限のフローが得られる！？ • (T,vT)~(140MeV,0.2) • 単純なblast waveモデルは定量的に信用できるか？ • 完全な熱平衡でなくてもスペクトルの変化は起こる • 例）ハドロンカスケードモデル • どのようにフローが作られるか？ • コンシステントか？ • fや Wの chi square minimumは違う場所 • 化学凍結と運動学的（熱）凍結は違う温度 タイムスケール: 初期宇宙マイクロ秒  重イオン衝突10-23 (10 yocto)秒 • フローのプロファイル? どこで凍結? 薄皮一枚？

  20. 基本チェックから何が言えるか？ • QGP探索のための必要条件（これらなしではこれ以上進む必要なし？） • エネルギー密度＞ec • 温度～Tc • 圧力大 時空発展を追えるフレームワークで 解析する必要性

  21. 重イオン衝突反応のダイナミクス：楕円型フローを中心に重イオン衝突反応のダイナミクス：楕円型フローを中心に

  22. 重イオン衝突のダイナミクス t レプトン対 光子 ジェット ハドロン ハドロンの熱凍結 ハドロンの化学凍結 ＱＧＰハドロン相転移？ （相転移の次数？） 時間のスケール 10fm/c~10-23sec 温度のスケール 100MeV~1010K 化学平衡へ向かう？ （ＱＧＰの生成？） 局所熱平衡へ向かう？ （ＧＰの生成？） z:衝突軸 0 パートン分布関数 重イオン~グルーオンの塊 光速の99%以上 金イオン 金イオン

  23. 非等方的な粒子の“流れ” y f x z x 横平面（衝突軸に垂直な面） 散乱平面 A.Poskanzer & S.Voloshin (’98)

  24. 楕円型フロー Ollitrault (’92) 空間的に歪んだ分布を持ってきて系の応答を見てみよう 相互作用なし 流体力学的な振る舞い y f x インプット 空間的な非等方性 2v2 粒子間の相互作用 dN/df dN/df アウトプット 運動量の非等方性 0 f 2p 0 f 2p

  25. ずれ粘性の運動学的記述 See, e.g. Danielewicz&Gyulassy(’85) 超相対論的粒子を想定（体粘性はゼロ） 完全流体: l=1/sr  0（強結合） ずれ粘性  0 “輸送”散乱断面積（前方散乱は粘性に効かない）

  26. パートンの世界における楕円型フロー 完全流体の極限 Zhang et al.(’99) View from collision axis Time evolution of v2 b = 7.5fm v2 • オーバーラップ領域に一様にグルーオンをばらまく • dN/dy ~ 300 @ b = 0 fm • 運動量分布はT = 500 MeVを仮定 時間 生成粒子間の相互作用によって作られる 早い時期に飽和 断面積～平均自由行程～粘性に敏感 v2は 楕円型フローは衝突初期の輸送的性質の情報を担う！

  27. 相対論的流体力学 エネルギー運動量保存則 保存流（バリオン数、ストレンジネス、…） 方程式系を閉じるためには 状態方程式 P(e,ni) が必要  流体力学は原理的には 格子QCDと結びついている 完全流体（粘性無し）では 圧力 エネルギー密度 4元速度 流体力学は第一原理計算と現象を結びつける橋渡し役を 担っている。適用条件？適用領域？粘性の効果？

  28. エネルギー密度分布の非等方性  運動量空間の非等方性 TH&Gyulassy(’06) QGP mixed hadron 速度平面におけるエネルギー 横平面におけるエネルギー密度 あくまでもドミナントな膨張は縦（衝突軸）方向境界は内側へ向かう。

  29. 完全流体QGPの“発見”

  30. “Perfect Liquid”って？ • レイノルズ数 Iso, Mori, Namiki (’59) R>>1 Perfect liquid • 1+1D Bjorkenフロー Bjorken(’83) • Baym(’84)Hosoya,Kajantie(’85)Danielewicz,Gyulassy(’85)Gavin(’85)Akase et al.(’89)Kouno et al.(’90)… (Ideal) (Viscous) h: ずれ粘性 (MeV/fm2), s : エントロピー密度 (1/fm3) h/sは自然単位系(＋kB=1)における 粘性の効果を見るのに最適

  31. TH&Gyulassy(’05),TH,Heinz,Kharzeev,Lacey,Nara(’05) Hydro meets Data: 三本柱 • 完全流体的なQGPコア • 流体力学でＱＧＰ相を記述 • 十分大きなv2を得るために必要 • 散逸的なハドロン相のコロナ • ボルツマン方程式でハドロン相を記述 • 十分な横膨張を得るために必要 • 粒子比を固定するために必要 • グラウバー模型による初期条件 • 衝突径数依存性 現在のところ、どの一つが欠けても合わない

  32. TH et al.(’05) 流体＋ボルツマン複合模型 ハドロン カスケード JAM t sQGP 3D流体 z (Option) カラーグラス 凝縮 0 c.f. Similar approach by Nonaka and Bass (DNP04,QM05) cf.)板倉さんのトーク

  33. 流体モデルよるv2(pT)の歴史 2000 (Heinz, Huovinen, Kolb…) 完全流体、化学平衡 in ハドロン相 2002 (TH,Teaney,Kolb…) +粒子比固定 in ハドロン相 2002 (Teaney…) +ハドロン相における粘性 2005 (BNL) “RHIC serves the perfect liquid.” 2004-2005 (TH,Gyulassy) v2(pT)の傾きのメカニズム 2005-2006(TH,Heinz,Nara,…) +(とある)カラーグラス凝縮の初期条件 Future “To be or not to be (consistent with hydro), that is THE question” -- anonymous 20-30% 興味深い実験結果の後押しもあり、 ここ数年で流体モデルは飛躍的に 発展を遂げてきた

  34. TH et al.(’05) 流体＆ボルツマン複合模型によるv2(Npart) • （とある）ＣＧＣモデル: • 完全流体は疑問 • 粘性が必要 • グラウバー模型: • 早い熱平衡 • メカニズムは？ • 考えられるシナリオ: • カラーグラス凝縮(中心) • グラウバー模型 (かすり) ハドロンカスケードの結果: Courtesy of M.Isse 完全流体の発見は初期条件の不定性で消された！？

  35. sQGP! Molnar&Gyulassy(’00) ! s ~ 15 * spert 注意：ボルツマン方程式の 希薄ガス近似はl~0.1fmに 適用可能か？ ２体の分布関数の影響？ パートンカスケード （ボルツマン方程式） による計算

  36. もし、複合模型的な記述が正しければ、その物理的な意味は？もし、複合模型的な記述が正しければ、その物理的な意味は？ h: ずれ粘性, s : エントロピー密度 cf.)夏梅さんのトーク TH and Gyulassy (’05) Kovtun,Son,Starinets(’05) • ずれ粘性 • （ずれ粘性）/（エントロピー密度） ! エントロピー密度の急激な増加のおかげで RHICにおける流体的な記述が良くなった？ 閉じ込めの破れの現れ？

  37. 重イオン衝突反応におけるＱＧＰ物性物理に向けて重イオン衝突反応におけるＱＧＰ物性物理に向けて

  38. 今後のRHIC II & LHCにおけるQGP物性の潮流 • QGPの情報の引き出し “物性”物理 • 熱光子（内部の温度） • レプトン対（カイラル対称性） • ジェット、重いクォークなどの稀なプローブ • … • ダイナミクス自身 • 粘性の影響（輸送的性質） • 熱平衡のメカニズム • Latticeを用いた状態方程式 • …

  39. もう一度、流体モデルの意義の確認 • 静的 • 格子QCDによるEOS • 有限温度密度の場の理論 • 臨界現象 • ハドロンスペクトルの変化 • 動的（重イオン衝突反応） • 膨張、フロー • 熱力学量の時空発展

  40. 何故、時空発展がそれほど重要か？ バルクの運動量分布 パートンのエネルギー損失 X: 温度、パートン密 度、フロー、化学ポテ ンシャル、時空体積 etc. um T r クォーク再結合 熱放射 um M T T, m B

  41. １．カイラル対称性の回復：penetrating probeによる系内部の情報の引き出し

  42. ＱＣＤ物質の物性物理 Hatsuda-Kunihiro(’84-) Hatsuda, talk at HFD06

  43. 重イオン衝突反応におけるカイラル対称性の部分的回復？(SPSの例)重イオン衝突反応におけるカイラル対称性の部分的回復？(SPSの例) • Backgroundからの • excess • 特にrho mass以下 • 　　の収量の増大 媒質中における ハドロンスペクトル の変化 Stolen from Miskowiec(QM05)

  44. 有効モデルによる生成率計算の一例 Chiku-Hatsuda(’98) s,p質量の温度依存性 p,s チャンネルのスペクトル関数 ある温度における生成率 生成率（反応率）～ 単位時空体積辺りの反応数

  45. 流体計算と生成率の組み合わせ • 生成率（単位時空体積辺りの個数） Weldon (’83), McLerran & Toimela (’84) Gale & Kapusta (’91) um T, m • 「実験と比較すべき」運動量分布 Srivastava & Sinha(’94), Sollfrank et al.(’97), Alam et al.(’01) and a lot of work 特に温度場と時空体積が重要 cf.) ハドロン相はパイオンなどの化学ポテンシャルも考慮

  46. ２．ジェットトモグラフィー • 性質の良く分かっているprobe • probe自身のdetect • 計算可能なprobeの歪み 未知の物質の内部 情報の引き出し

  47. ? プローブとしての(ミニ)ジェット 核子－核子衝突 重イオン－重イオン衝突 エネルギーを 失ったジェット ジェット １８０度相関の消失？ 媒質なし 媒質あり

  48. Bjorken, Gyulassy, Wang, Plumer… RHICにおけるジェットクエンチングの発見 Nuclear Modification Factor （重イオン反応での収量） = Ncoll×（ｐｐ反応での収量） 大きな運動量を持った パートンが媒質中でど のようにエネルギーを 損失するか？ ジェットクエンチングは 高密度物質の帰結 dN/dy~1000 PHENIX(’03)

  49. ジェット対の相関 ２００４年ごろ（ピーク幅の広がり） STAR Preliminary Au+Au 5% ２００２年ごろ（ピークの消失） (1/Ntrig) dN/d(Df) 0.15<pT<4(GeV) Df 2<pT<pT,trig(GeV) PHENIX ２００５年ごろ （ピークの移動？） 1/Ntrig dN/d(Df) 2<pT<3(GeV)

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