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超高温QCD物質LHCにむけて

浜垣秀樹 東京大学・理学系研究科三明康郎 筑波大学・物理学系杉立徹 広島大学・理学研究科松井哲男 東京大学・総合文化研究科浅川正之 京都大学・理学研究科

2QCDと「閉じ込め」• 原子核

– 陽子と中性子の集まり– π中間子を交換

• 陽子・中性子の成り立ち– クォーク3個– QCD：グルーオンを交換

• QCDのパズル：「閉じ込め」– クォーク、グルーオンは単独で取り出せない

– 「クォーク3個が何故安定か」の根拠

• 「閉じ込め」からの解放– 相転移– QGP

陽子

中性子

クォーク

クォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）

3「超高温QCD物質」研究の目指すもの

相転移：10-6 ~ 10-5秒・ クォークの閉じ込め・ 陽子、中性子の生成

T C~1

50M

eV

ハドロン（閉じ込め）

クォーク・グルーオン・プラズマ:QGP温度

バリオン密度ρ/ρ0 ~ 10

CFL2CS

エンドポイント

ρ/ρ0 ~ 1

Big Bang

• 「閉じ込め」の理解

• QCD物質の豊かな構造の解明

• 原始宇宙の再現と理解

4研究の位置づけ

高エネルギー原子核衝突＝高温状態生成のユニークな道具

1

10

100

1,000

10,000

100,000

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

CERNSPS

年

重心エネルギー／核子

(GeV

)

LBLBevalac

BNLRHIC CERN

LHC

BNLAGS

重い原子核同士の衝突が開始された年と重心エネルギー／核子

過去 現在 未来SPS → RHIC → LHC

QGPの尻尾 QGPの確認 QGP物性の研究

5現在の研究の場

BNL－RHIC加速器2000年に稼動開始周長：3.8キロ

RHIC-PHENIX

6将来の研究の場

TRD

PHOS

LHC-ALICE

CERN－LHC加速器2007年に稼動開始周長：27キロ

山手線の周長：35キロ

7日本グループPHENIX実験：文科省日米科学技術協力事業（高エネルギー物理学分野）

主要な担当 ＝ 粒子識別装置 TOF：高分解能飛行時間測定装置筑波大、コロンビア大RICH：電子識別用ガスチェレンコフカウンター

東大CNS、KEK、早稲田大、長崎総合科学大BNL, FSU, KEK, SUNY/SB, ORNL

BBC：衝突トリガー、TOFのスタート広島大、コロンビア大

AEROGEL：筑波大、東大CNS、BNL

8LHCの検出器Transition Radiation Detector （TRD）• トランジション・ラディエーション、ｄE/dx• 電子識別、高運動量ハドロン粒子識別• レプトン、ハドロンを用いた研究

Photon Spectrometer （PHOS）• 新しい素材：PbWO4 クリスタル

• フォトンを用いた研究単光子、π0、ηの測定

KEK、筑波大、東大CNS、早大、長総大Heidelberg、GSI、CERN

広大Kurchatov、Bergen、CERN

9クォーコニウムとQGP相転移• クォーコニウム = 重いクォークと反クォークの束縛状態• ＱＧＰ： Ｄｅｂｙｅ遮蔽による閉じ込めポテンシャルの消失→ クォーコニウム収量の減少

( ) rr

rV ⋅+− σα~

σr

V(r)/σ

デバイ遮蔽

( ) ( )rr

rV µα−− exp~

QGP相転移クォーコニウム生存率

LHC

Υ

J/ψSPS

RHIC

エネルギー密度

10クォーコニウムの測定

• CERN-SPSでのレプトン対測定– Pb+Pb衝突で、J/ψ収量の大きな抑制– CERNの公式発表（2000年2月） 「QGPの尻尾を捕らえた」の有力な根拠

• RHICでの測定の現状– p+p、d+Au：レファレンスデータ解析中– 金+金：高統計データが欲しい

• 次回のラン（H15年12月の予定）に期待

11ジェット クエンチング

金＋金衝突

ｄ＋金衝突

エネルギー損失が無い場合の予想

ハドロン多重生成＝ジェット

p p

• RHICにおける新しい発見– 金＋金正面衝突で、高運動量粒子収量の大きな抑制

高温媒質中を通過の際、大きなエネルギー損失＝ジェット クエンチング

陽子中のクォークが叩き出される

超高温状態の有力なプローブ

研究のハイライトQCD理論• エネルギー損失の機構実験• 高運動量領域のジェットの研究＝LHCが必要

12方位角分布と局所平衡

• 放出粒子方位角分布の非等方度– 大きさ ＝局所平衡への到達時間の関数

＝ 有力なプローブ

• RHIC：大きな非等方度– 早い時点での平衡を仮定した流体模型計算で良く再現される

x

y動的な過程： 何時、局所熱平衡状態に達するか？

空間的な非等方性 →

方位角分布の非等方性

研究のハイライトQCD理論• 時空発展理論の精密化実験• ハドロン粒子識別

13単光子（フォトン）の測定

物質内部からの直接的な信号

γ

• 単光子– 黒体輻射：高温状態のプローブ

• 電磁相互作用 → 透過性

• 収量が少ない → 測定が困難

• これまでの成果– CERN-SPSでの結果が唯一– BNL-RHIC：有意な結果はまだ無い

Inva

riant

Yie

ld

pT [GeV/c]

Pb+Pb √sNN=17.3GeV

研究のハイライト観測理論• 時空発展模型で記述→予想精度実験• 高性能電磁カロリメーター• 高エネルギーπ0、η：LHCでの高い運動量領域（~20GeV/c以上）では、独壇場

14粒子収量と化学平衡

• 4つのパラメーター（主には二つ）で、良く再現

・ γS~1 → strangeness 生成が速く進行

化学平衡がQGP相において実現しているようである

15QGPの化学• クォークレベルでの化学平衡

– クォーク・コアレッセンス模型• ハドロンは、クォークのコアレッセンスで作られる

• LHCにおいて– J/ψ収量の増加– Exoticなハドロン– 重いクォークを含むハドロン分光

• bクォークを含むバリオン：bbb, bbc, bcc, bcs,…

• LHCにおける豊かな可能性– QGP研究の立場：化学平衡の検証– ハドロン研究の立場：ユニークな環境

16Summary

• Functions of Center(s)– Center of R & D

For international collaborations– Center of project management– Center of data reduction and analysis– Center of communications, exchange of

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