物理学実験3(高エネルギー原子核実験)
http://utkhii.px.tsukuba.ac.jp
物理学系・三明康郎
1)大型加速器を用いた実験の特長
2)クォーク・グルオンプラズマ探索実験
3)衝突型加速器
4)高エネルギー原子核・原子核衝突の様子
5)衝突型加速器を用いた実験
6)測定技術
7)今までの主な発見
筑波大・三明
1
・出席をとります。
1)大型加速器を用いた実験とは
筑波大・三明
2
世界の大型加速器
加速器
研究機関
ビーム種類
名称
KEKB
エネル
電子・陽電子
加速器研究機
8 + 3.5
素粒子現象の精
GeV
密測定
構(日本)
レップ
欧州共同原子
フェルミ研
電子・陽電子
陽子・反陽子
(米国)
リック
ブルックヘブン
研(米国)
•
研究目的により、ビームの
種類やエネルギーが異なる
•
核研究機構
テバトロン
世界の主な衝突型加速器
主な目的・成果
ギー
高エネルギー
•
金・金など
55 + 55
電弱相互作用の
GeV
精密測定
500 + 500
トップクォーク、
GeV
ヒッグス探索
100 + 100
GeV
探索実験を行う加速器は世
界に何カ所もいらない。
•
同様な実験形態
–
多国間国際協力
クォーク・グルオ
–
1国で負担するのは困難
ンプラズマ探索
–
加速器;数百億円〜数兆円
–
測定器;約10%
•
多国籍・他研究機関の研究
者の国際協力・共同
筑波大・三明
3
大型加速器実験の典型的経過と特徴
CDF実験の例
1981 報告書提出
1985 加速器完成
•
1986 検出器完成
提案〜建設〜測定のサイクルが長期
間(5年〜20年)にわたる
1988 第1回目測定
検出器増強
1992 測定
•
1-a
の繰り返し
トップクォーク生成の証拠
1993 測定
1-b
トップクォーク生成の決定的立証
検出器増強
加速器増強
1998 第2回目測定
トップクォークの性質
検出器増強
加速器増強
筑波大・三明
4
長期間の測定と検出器・加速器増強
•
信号が増強とともに蓄積されていく
–
それぞれのプロジェクトのタイムライン
と各自の生活プランがどう接していくか
2)クォーク・グルオンプラズマ
(QGP)探索実験
筑波大・三明
5
物質の階層構造とクォーク・グルオンプラズマ
•
原子核
–
–
陽子
中性子
クォーク
–
•
核子
–
–
–
•
6
クォーク・反クォークからなる複合粒子
クォークの種類により多くの組み合わせ
QCDの特徴
–
–
筑波大・三明
クォーク3個からなる複合粒子
クォーク間力;グルオン交換
量子色力学(QCD)
中間子
–
–
•
陽子と中性子の集まり
核子(陽子と中性子)間力;π中間子交
換
4000種類
クォークの「閉じ込め」
漸近的自由度
クォーク・グルオンプラズマ(QGP)とは
•
ハドロンの構造;
–
ハドロン(陽子、中性子や中間子)は、1fm程度
の大きさを持ちクォークと媒介粒子グルオンか
ら構成されている。
–
3つのクォークかクォーク・反クォーク対
–
量子色力学(QCD)の世界
• クォークの閉じ込め
• 漸近的自由度
–
•
バッグ模型によるハドロンの構造の理解
大きさを持つハドロンを狭い空間に多重
発生させると(高温・高密度状態)、ハ
ドロンが連結状態した状態が起こる?
–
クォーク・グルオンが比較的大きな体積中を自
由に飛び回る状態が実現する。
– クォーク・グルオンプラズマ状態
筑波大・三明
7
Big BangとLittle Bang
•
相転移
•
Qui ckTi meý Dz
GIF êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ `ÉÉǾå©Ç ÈÇ…ÇÕïKóvÇ­Ç•
ÅB
•
ビッグバン宇宙論
–
3次元的膨張
–
ビッグバンから10マイクロ秒後にQGP相か
らハドロン相への相転移
–
1次の相転移であれば以降の宇宙の進化に影
響か
“リトルバン”
–
“再現”実験
–
高エネルギー原子核・原子核衝突
–
1次元的膨張
CERN(欧州共同原子核研究機構)と米
国ブルックヘブン国立研究所
ほぼ5年おきに新しい加速器
筑波大・三明
Machine
Beam+Target
Ecm [GeV]
1987 -
AGS
Si+Au
5A
1987 -
SPS
S + Pb
20A
1992 -
AGS
Au + Au
4A
1994 -
SPS
Pb + Pb
17A
2000 -
BNL•RHIC
Au + Au
130A - 200A
8
QGP探索実験の中心施設
•
CERN・SPS
‘94〜
Pb+Pb衝突
静止標的型実験
√s〜17 AGeV
筑波大・三明
9
欧米
BNL・RHIC
‘00〜
Au+Au衝突
衝突型加速器
√s<200 AGeV
3)衝突型加速器
(RHICを例にして)
筑波大・三明
10
Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC)
•
1周約3.8km
•
右回り用と左回り用それぞれの
ビームライン
•
計864個の電磁石
•
実験室中央で右回りと左回りの
ビームが衝突
筑波大・三明
11
複合加速器RHIC
100 GeV/u
78 MeV/u
10.8 GeV/u
RHIC
= タンデム型Van de Graaf 加速器
× ブースターシンクロトロン
× AGSシンクロトロン
× 衝突型加速器
筑波大・三明
12
1 MeV/u
RHIC(加速と衝突の様子)
QuickT imeý Dz Animation êLí£ÉvÉçÉ OÉâÉÄ Ç™Ç±Çà ÉsÉNÉ`ÉÉǾå©Ç ÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç•
ÅB
筑波大・三明
13
6つの衝突地点
筑波大・三明
14
衝突のLuminosity
衝突頻度
[ T-1 ]
[ L-2T-1 ]
N  L tot
断面積[
N1
L-2
•
衝突型加速器の性能を与える量;L
•
多くの衝突頻度を得るためには、
]
•
–
多数のビーム粒子
–
細く絞られたビーム;〜mm
–
2本のビームの位置の制御
–
タイミング制御
→
S
N2
筑波大・三明
15
高度な加速器技術が必要
N1N2
L
S
データ量の増加の様子
•
RHIC加速器の例
•
建設直後からのビーム衝突回数の増加の様子
–
なかなか衝突が起こらない
–
調整経験を積み上げていくとともに増加していく
Run
Year
Species s1/2 [GeV ] Ldt
01
2000
Au-Au
130
1 mb-1
10M
02 2001/2002 Au-Au
200
24 mb-1
170M
03 2002/2003
筑波大・三明
16
Ntot
0.15 pb-1 3.7G
p-p
200
d-Au
200
2.74 nb-1
p-p
200
0.35 pb-1 6.6G
5.5G
p-p Equivalent Data Size
0.04 pb-1
3 TB
1.0 pb-1
10 TB
0.15 pb-1
20 TB
1.1 pb-1
46 TB
0.35 pb-1
35 TB
4)高エネルギー原子核・
原子核衝突の様子
筑波大・三明
17
衝突のMovie(Simulation)
QuickTimeý Dz
Animation êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­ Ç•
ÅB
•
(高エネルギー)×(原子核・原子核)→
–
筑波大・三明
18
数多くの粒子が発生(数千個)
高エネルギー重イオン衝突の様子
•
筑波大・三明
19
衝突の極めて短時間の間に何が起こっているのか!
–
10 - 20 fm/cの間に多数の衝突
–
運動学的熱平衡・化学平衡が起こっているらしい
–
クォーク・グルオンプラズマの生成も?
Minkowski空間における粒子発生の様子
•
固有時間
•
粒子生成時間の違い
• 遅い粒子は早く
• 速い粒子は遅く
QuickTimeý Dz
TIFFÅiLZWÅj êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾ å©ÇÈÇ žÇ½Ç …ÇÕïKóvÇ­Ç•
ÅB
筑波大・三明
20
高エネルギー重イオン衝突の様子
•
筑波大・三明
21
衝突の極めて短時間の間に何が起こっているのか!
–
10 - 20 fm/cの間に多数の衝突
–
運動学的熱平衡・化学平衡が起こっているらしい
–
クォーク・グルオンプラズマの生成も?
高粒子密度
Beam
√s
dNc/dy
for
Au+Au
AGS
12 A GeV
4.8 GeV
150
SPS
150 A GeV
17 GeV
270
RHIC
100+100 A
200 GeV
700
GeV
•
測定技術上のチャレンジ
–
検出器における粒子密度が高い
• 2粒子識別分解能
–
多くの情報量
• 読みだし回路の性能
筑波大・三明
22
• 計算機能力
5)衝突型加速器を用いた実験
(PHENIX実験を例に)
筑波大・三明
23
PHENIX実験
筑波大・三明
24
PHENIX実験
筑波大・三明
25
•
磁場を中心に多くの検出器
PHENIX実験;2種類の磁石
B
BEAM
BEAM
B
筑波大・三明
26
PHENIX実験;
多くの検出器
•
飛跡検出器
•
粒子識別装置
筑波大・三明
27
PHENIX実験(写真1)
筑波大・三明
28
PHENIX実験(写真2)
筑波大・三明
29
国際共同実験PHENIX
筑波大・三明
30
6)測定技術
筑波大・三明
31
飛跡検出器
MWPC中の電場の様子(PRC66(2002))
•
荷電粒子がチェンバーガスを電離
•
アノード細線周辺の高電場によりガ
ス増幅
•
アノード細線の位置や誘導電荷によ
り飛跡位置を測定
•
Drift Chamber中の電場の様子(Frontier in Physics 64))
筑波大・三明
32
典型的位置分解能
–
Multiwire Proportional Chamber
(MWPC);〜mm
–
Drift Chamber;〜0.2 mm
–
Time Projection Chamber;mm
Time Projection Chamber
筑波大・三明
33
運動量解析とその精度
pt [GeV /c]  0.3 B[T] r[m]
0.3 B[T]
Curvat ure;k  1/r 
[m]
pt [GeV /c]
(k) 2  (kmult ) 2  (kpos ) 2
k mult
Z
 0.016
Lp[GeV /c] 
Uniform Nt h readout;
kpos 
筑波大・三明
34
L
Lradiation
t
L2
720
N4
PHENIX実験の磁場の様子
•
磁場中による飛跡の曲
がり方から運動量を決
定する。
筑波大・三明
35
ハドロンの粒子識別;電離エネルギー損失
筑波大・三明
36
dE z 2
Bethe Bloch formula ; 
 2 ln( )
dx 
ハドロンの粒子識別;飛行時間測定法

L L
T ime of Flight;t 

c c
筑波大・三明
37
p2  m 2
p
 t 2 
m  p ( ) 1
 L

m 2 p 2 4  L 2 t 2 
( )  ( )   ( )  ( ) 
 L
m
p
t 
2
2
ハドロンの粒子識別;チェレンコフ放射
荷電粒子速度 > 媒質中の光速伝搬速度

Nd
1 d
2

 z 1
2
dx

 n 
 c
PMT

N pe  90sin 2 [cm-1 ]
•
閾値型チェレンコフ検出器


1
threshold 
n
•
筑波大・三明
38

リングイメージ型
r  f tan(  )
Lepton Pair Spectrometer
 typ  2cos
1
pt
M 2  pt2  4m 2
m
•
–
•
•
M 2c 2  p˜ A  p˜ B  p˜ A  p˜ B 
 mA2 c 2  mB2 c 2  2( pA  pB 
筑波大・三明
39
1
EA EB )
2
c
Φ中間子;50fm/c
検出器まで崩壊前に届かない
–
m
M
短寿命で崩壊するハドロン;
崩壊生成粒子の検出が必要
例;
–
Φ→K+K−
–
Φ→e+e−
RHIC実験と計算機
•
高多重度事象
–
巨大なデータ量
•
–
粒子の飛跡解析に多くの計算が必要
•
筑波大・三明
40
4ヶ月間 x 12MB/s=140TB
1200個のCPUの並列化
7)今までの主な発見
筑波大・三明
41
方位角異方性とは
•
非中心衝突の反応関
与部は方位角異方性
Side View
Beam View
•
平均自由行程が十分長
い場合;
b ; Im pact param
–
b
•
λ> >R
平均自由行程が十分短
い場合;
λ< <R
–
圧力勾配は短軸方向が大
きい
–
短軸方向に多くの粒子
R

 coll 
一様な方位角分布
2R
c
•
座標空間の方位角異方
性が生成粒子の運動量
J .Y. Ol li tr a ult , P .R . D48( '93)1132
空間異方性に転換
N    N 1  2v cos     2v cos2(   ) 
0
筑波大・三明
42
1
0
2
Elliptic Emission
0
QGPを示唆する結果;2)大きな方位角異方性
•
SPSに比べて、おおきな方位
角異方性が観測された。
–
–
•
流体力学的効果
–
–
–
•
43
衝突後0.6fm/cで熱化成立を仮定
すると良く再現。
Hard Scattering の領域で流体
は考えにくい
>2.5 GeV/c で振舞の変化
いかなる反応が衝突後、0.6
fm/cで熱化出来るのか?
–
筑波大・三明
SPS; 約4%
RHIC;約6%
• より速やかな熱化
• より短い平均自由行程
QGP!
高横運動量抑制効果の発見
荷電粒子
中性パイ中間子
•
荷電粒子、中性パイ中間子
共に高横運動量で抑制
•
周辺衝突(60-80%);
–
•
•
Nbinaryで規格化したpp衝突の結
果と良い一致
中心衝突(<10%);
–
Nbinaryで規格化したpp衝突より
全般的に小さい
–
特に>3GeV/c
陽子・陽子衝突に比べて高
横運動量領域で粒子生成が
少ない!
•
今まで全く見られなかった
現象!
筑波大・三明
44
Phys.Rev.Lett.88,022301(2002)
高運動量領域の粒子生成とは
•
高横運動量領域では指数関数から
ずれた成分が現れる
•
–
陽子・陽子衝突ではπー より多くのπ+
–
Valence Quark散乱のLeading Particle
高エネルギーの衝突ではより顕著に
–
•
Phase Space の制限が効かなくなる
2成分;
–
第1項;Exponential;Soft Component
–
第2項; Power Law ; Hard Component
• Perturbative QCD
筑波大・三明
45
d 3
mt
C1
E 3  C0 exp( ) 
n
dp
T0
( pt  p0 )

ジェット・クエンチとは
+Ze
Ng
dEGLV
E


ln( )
dx
f (E) m
dE Bohr N e

 2 ln( 2  )
dx

•
高速荷電粒子が物質中を通過する際に、
•
パートンがQGPなど高密度物質

原子電子とのクーロン相互作用によっ
中を通過する際に、グルオン放射
てエネルギー損失
によりエネルギー損失
–
Bethe-Bloch Formula
–
物質の電子数密度に比例したエネルギー損失
筑波大・三明
46
–
グルオンの数密度に比例した損失
QGPを示唆する結果;4)ジェット・クエンチ
RAA 
 AA
エネルギー損失が無い場合の予想
N bi nary   pp
d+金衝突
金+金衝突
•
金・金衝突では高横運動量領域で抑制
•
重陽子・金原子核衝突では抑制効果が見られなかった
–
金・金衝突で出来た高密度物質をパートンが通過する際のエネルギー損失によるもの
筑波大・三明
47
QGPを示唆する結果;4’)正反相関の消失
pedestal and flow
subtracted
•
金・金衝突では正反対方向に期待されるジェットが消失した。
筑波大・三明
48
まとめ(所長挨拶)
QuickTimeý Dz
Sorenson Video 3 êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­ Ç•
ÅB
筑波大・三明
49
ダウンロード

PowerPoint プレゼンテーション