Recent results from RHIC experiments -- QGP search and the spin program --

1. 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

2. Outlook 金田雅司, RBRC

3. 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

4. BRAHMS PHOBOS pp2pp PHENIX STAR 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 金田雅司, RBRC

5. 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 QGP 探索 • 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

6. 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

7. 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

8. Cartoon of space/time expansion time Thermal (Kinetic) Freeze-out Hadron dominant elastic interaction dominant Chemical Freeze-out inelastic interaction dominant Parton dominant space 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 • 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 金田雅司, RBRC

9. Almond shape overlap region in coordinate space Momentum space z y x 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 In Perfect Hydrodynamical source, v2 is proportional to e 金田雅司, RBRC

10. 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・クエンチあり ジェット・クエンチなし • 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 • 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

11. central collision STAR : PRL86(2001)402, PRC66(2002)034904 130 GeV Au+Au hydrodynamical limit beam (collision) axis PHOBOS : PRL89(2002)222301 130 GeV Au+Au peripheral collision peripheral central peripheral central 荷電ハドロンの v2 (low pT) vs. 中心衝突度 • 130GeV Au+Au 衝突 • 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

12. maximum <v2> (pT<2GeV/c) RQMD: An event generator which includes only hadronic elastic/inelastic interaction RQMD(v2.4) v2のエネルギー依存性 (low pT) • 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

13. STAR: nucl-ex/0306007 200 GeV Au+Au central peripheral central collision beam (collision) axis central peripheral PHENIX: nucl-ex/0305013 200 GeV Au+Au peripheral collision 粒子識別されたハドロンv2 の pT依存性 • 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

14. hydrodynamical model calc. phenix preliminary 200 GeV Au+Au pT [GeV/c] 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 • 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

15. 130GeV ms=0 200GeV • 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] ms0 • 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 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平衡に達している Lattice QCD predictions central collisions SPS Baryon Chemical Potential mB [GeV] parton-hadron phase boundary Neutron star <E>/<N>~1GeV, J.Cleymans and K.Redlich, PRC60 (1999) 054908 From M.K.’s talk in the first joint meeting of JPS and DNP, Hawaii, 2001 + SQM2003 金田雅司, RBRC

16. peripheral central 130 GeV 200 GeV M.K.’s poster for international conference Strangeness in Quark Matter 2003 mB/3 • 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 RHICでの化学平衡パラメータの中心衝突度依存性 金田雅司, RBRC

17. M.K.’s poster for international conference Strangeness in Quark Matter 2003 フィット結果の例 • 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

18. Blast wave model E. Schnedermann et al., PRC48 (1993) 2462 Boosted No Boost s 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 NA44 : PRL78 (1997) 2080 金田雅司, RBRC

19. K0 s ] 2 - GeV/c) [( T dp n dy 2 d T p p 2 ] 2 - GeV/c) [( T dp n dy 2 d T p p 2 Tthとflowの中心衝突度依存性 200 GeV Au+Au 130 GeV Au+Au Blastwave model fit for STAR data From QM2002, M.K.’s poster p- K- K+ Data : O. Barannikova/F. Wang QM2002 Talk STAR preliminary Centrality 0-5% 5-10% 10-20% 20-30% 30-40% 40-50% 50-60% 60-70% 70-80% pT [GeV/c] Blastwave model fit for STAR data From QM2002, M.K.’s poster STAR: nucl-ex/0306029 pT [GeV/c] 金田雅司, RBRC

20. <r> [c] Tth [GeV] 衝突エネルギー依存性 • 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 PHENIX STAR 金田雅司, RBRC

21. WA97: EPJ C14 (2000) 633 STAR: nucl-ex/0307024 T=Tfo + m<b>2 Inverse slope parameter T [GeV] 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 全てのハドロンは同時にフリーズ・アウトしている? • RHICでも同様の傾向 金田雅司, RBRC

22. 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 高密度物質が あったとき ハドロン リーディング パーティクル ハドロン 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 • p+p衝突との比較 金田雅司, RBRC

23. AA AA AA 原子核補正係数RAA • 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) • “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

24. 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

25. 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 AuAu/pp と dAu/pp • 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 金田雅司, RBRC

26. 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 ハドロン リーディング パーティクル STAR d+Au min. bias 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 金田雅司, RBRC

27. 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

28. 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

29. ＲＨＩＣでのスピン物理核子スピンの寄与はどこから？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

30. クォークのスピンが寄与する割合; Scheme dependent. Quark Spin スピン物理 • 現象論的観測量である“スピン” Proton Spin Gluon Spin Orbital Motion • 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

31. 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

32. Absolute Polarimeter (H jet) RHIC pC CNI Polarimeters BRAHMS & PP2PP PHOBOS RHIC s = 50 - 500 GeV PHENIX STAR Siberian Snakes Spin Rotators Partial Solenoid Snake LINAC BOOSTER Partial Helical Snake Pol. Proton Source 500 mA, 300 ms AGS AGS pC CNI Polarimeter AGS Quasi-Elastic Polarimeter 200 MeV Polarimeter Rf Dipoles s = 200 GeV transverse polarized proton collisions 2001 - 2002 s = 200 GeV longitudinal polarized proton collisions 2003 2004 - スピン偏極陽子衝突型加速器としてのRHIC 金田雅司, RBRC

33. IP12 IP10 pp2pp PHENIX IP4 STAR 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 IP4 and IP10 STAR and IP12 PHENIX and PP2PP 金田雅司, RBRC

34. 積分ルミノシティ (PHENIX) Extension: 180nb-1/wk, Polarization between 0.25 and 0.3. Extended periods with polarization above 0.35 earlier in the run. Goal: 500nb-1/week at P=0.4 2 IRs STAR rotators pp2pp ZDC Begin of Physics BBC 金田雅司, RBRC

35. F Jet Fragmentation Function Proton Structure Factorization and Universality • Factorization ensures that parton distribution function at DIS and pp are the same objects Hard Scattering Process 金田雅司, RBRC

36. プロセスとプローブ Processes signature High-pT prompt  Gluon Compton e+e-, +- Charmonium Open Heavy Quark Light Flavor e+e-, +-,e,e, ,, Jet(Charged Hadrons, p0) High-pT,e, e+e-, +- W Z boson,Drell-Yan) W 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

37. スピン非対称性の解析 • 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=2.510-4（統計誤差のみ） Relative Luminosity Beam polarization (Blue, Yellow) Spin dependence of process of interest Luminosity ++: parallel +- : anti-parallel 金田雅司, RBRC

38. 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 • Systematic error study through comparison of counts from different detectors • look at ratio of 2 detector scalers crossing-by-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 Beam-Beam 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 ALL vs fill 30 2/NDF vs (ALL) 20 10 Not so good, but … 金田雅司, RBRC

39. 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  2/NDF vs (ALL) 3 2 1 Now 2/NDF1 金田雅司, RBRC

40. Relative Luminosity: Run3での結果 • R=2.510-4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

41. 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” 0 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

42. Photon trigger efficiency for 0 • 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 Data MC 0 pT (GeV/c) 金田雅司, RBRC

43. 0: p0reconstruction pT= 1.5-2.0 GeV/c mass [GeV/c2] 金田雅司, RBRC

44. 0生成断面積 Run-2 results submitted to PRL, hep-ex/0304038 • 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 • Confirms the Run-3 data reliability and consistency • Run3 data reaches even higher pTs; results will be finalized soon 9.6% normalization error not shown 金田雅司, RBRC

45. 0の数とバックグランド • 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 • Background contribution under p0 peak for 25 MeV/c2 mass cut varies from 45% to 5% from the lowest to highest pt bins 1-2 GeV/c Background =45% 2-3 GeV/c B.G.=17% 3-4 GeV/c B.G.=7% 4-5 GeV/c B.G.=5% 金田雅司, RBRC

46. 0の数の見積もり • N0: • 25 MeV/c2 around 0 peak (and also 15 and 35 MeV/c2 for cross checks) • Nbck1: • Two 50 MeV/c2 wide areas adjacent to 0 peak • Nbck2: • 250 MeV/c2 wide area between 0 and peaks N0 and Nbck accumulated statistics 金田雅司, RBRC

47. 0 ALLの計算 全てのビームのfillにわたった平均ALL • 1-2 GeV/c • ALL= -2.8%±1.2% • 2/ndf = 64/48 • 2-3 GeV/c • ALL= -2.2%±1.5% • 2/ndf = 34/48 • 3-4 GeV/c • ALL= -0.2%±3.3% • 2/ndf = 49/48 • 4-5 GeV/c • ALL= -2.3%±7.4% • 2/ndf = 39/48 1-2 GeV/c 2-3 GeV/c 4-5 GeV/c 3-4 GeV/c 金田雅司, RBRC

48. 0 ALL 0+bck 15 MeV/c2 0+bck 25 MeV/c2 0+bck 35 MeV/c2 Bck1 Bck2 金田雅司, RBRC

49. lines: B.Jagger e al., PRD67, 054005 (2003) 200 GeV p+p 衝突での 0 ALL 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

50. 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