29pHA-5 2013/3/29

Report
JPS 第68回年次大会
2013年3月26日~29日
@広島大学
ALICE実験√sNN=2.76TeV鉛原子核衝突における
直接仮想光子測定を用いた強磁場探索の展望
広島大理
辻 亜紗子
for the ALICE collaboration
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日本物理学会@広島大学 辻亜紗子
1
高エネルギー原子核衝突における強磁場生成
非中心衝突において非常に強い磁場が生成されている可能
性.
15
B ~10 Tesla @LHC
Strong magnetic field
B
cf.)
LHCの超伝導磁石 : 8.3 Tesla
電子の臨界磁場Bc : 4×109 Tesla
マグネターの表面磁場 : ~1011 Tesla
強磁場生成に伴う興味深い現象が議論されてい
る.
シンクロトロン放射,複屈折,非線形QED….
しかし,いまだ検出はされていない.
研究目的:
強磁場の直接的検出
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2
直接仮想光子(低質量電子対)測定を用いた強磁場探索
磁場と垂直に出てきた仮想光子は磁場と強く相互作用して
電子対の生成確率が変化する.
 異方性測定
– In-plane (磁場と垂直)とout-of-plane(磁場と平行)で電子対の数の比をとる.
 偏光測定
– 磁場と垂直に出た電子対のdecay plane の向きで数の比をとる.
 理論計算による見積もり
– 数十パーセントの異方性/偏光が現れる.
– 現在の統計量で期待されるsignificance
• 異方性/偏光ともに1σオーダー
– 磁場の検出ができる可能性あり.
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電子測定と反応平面の決定
ALICE検出器
Inner Tracking System
トラッキング/衝突点測定
(粒子識別)
反応平面の決定(VZERO)
Event plane method
Flow
vector Chamber
Time
Projection
トラッキング/粒子識別
Q 2.x   w i cos(2 φ i )
i
Q 2.y 
 w sin(2 φ )
i
i
Event plane angle
Time Of Flight
1
粒子識別
Ψ 2  arctan(Q
2
i
2, y
, Q 2, x )
電子識別(TPC&TOF)
VZERO A&C
• TPC で dE/dxを測定.
衝突中心度/反応平面
• 低/高横運動量領域で優れた
の測定
electron purityがある.
• TOFでハドロンを排除.
• Contamination は,
pT<1 GeVで 約 1~10%
データセット
2011年 鉛+鉛 √SNN=2.76TeV
LHC11h のうち約100kイベント (全体の約1%)
MB+Central+SemiCentral trigger
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異方性の測定方法
電子対の方位角とreaction plane angleの差
(ΔΦ=φee-ΨRP)で電子対を分けてその数を数える.
Anisotropy

N   N //
N   N //
ΔΦ=φee-ΨRP
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5
電子陽電子対の異方性(120<Mee<300MeV)
異方性の衝突中心度依存性
(120<Mee<300MeV)
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
電子対の質量分布
(Unlike-sign・Like-sign)
S/Bcb ratio ~1%
 120<Mee<300MeVのすべての電子陽電子対を測定.
 Mee>100MeV : Combinatorial backgroundによる効果が約99%を占めている.
 今後, Combinatorics やhadron cocktail などバックグラウンドの差引を行う.
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6
電子陽電子対の異方性 (0<Mee<30MeV)
異方性の衝突中心度依存性
(0<Mee<30MeV)
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
電子対の質量分布
(Unlike-sign・Like-sign)
π0Dalitz崩壊が
支配的
 0<Mee<30MeVのすべての電子陽電子対の異方性を測定.
 Mee<100MeV : π0 Dalitz崩壊からくる電子対による効果が支配的.
→ 全ての電子陽電子対が持つ異方性は,π中間子のv2から見積もった
異方性と一致した.
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同符号(--)電子対の異方性
異方性の衝突中心度依存性
(0<Mee<30MeV)
異方性の衝突中心度依存性
(120<Mee<300MeV)
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
 同符号電子対の異方性を測定.(同符号(++)電子対でも同様の結果)
ほぼCombinatorial backgroundをみていることを意味する.
 Mee<100MeV : π0 Dalitz崩壊からくる無相関粒子による効果が支配的.
→全てのe+e-が持つ異方性は,π中間子のv2から見積もった
無相関粒子が持つ異方性と一致している.
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偏光の測定方法
磁場の影響を受けて偏光が期待される項
電子対のdecay planeと
反応平面がなす角
で電子対を分けて数える.
P 
N zx  N xy
Y’
B
Z
N zx  N xy
P  P//
アクセプタンスを
P
考慮した偏光度
1  P P//
P// 
N zy  N xy
N zy  N xy
電子対のdecay planeと
磁場が作る面(z-y)がなす角
で電子対を分けて数える.
Reaction plane
ALICE検出器のアクセプタンスを補正する項
9
(偏光しない)
電子陽電子対の偏光
0.0<Mee<30MeV/c2
 すべての電子陽電子対の偏光度を測定.
Combinatorics , hadron cocktail などの
バックグラウンドを含んでいる.
Unlike-sign(+-)
signal + background
 偏光度はどの質量領域でも0に一致.
Mee<100MeV : π0 Dalitz崩壊が支配的
→偏光しないので偏光度は0になる.
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
Mee>100MeV : combinatoricsが支配的.
→今後,バックグラウンドの差引を行う
120<Mee<300MeV/c2
Unlike-sign(+-)
signal + background
300<Mee<500MeV/c2
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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日本物理学会@広島大学 辻亜紗子
Unlike-sign(+-)
signal + background
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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まとめと今後の展望
 直接仮想光子(低質量電子対)測定を用いて,強磁場探索を
行っている.
 全統計の約1%の解析を行い,バックグラウンドを差引く前の
異方性と偏光の結果を得た.
- 異方性測定
Mee<100MeV : π中間子の異方性と一致.
Mee>100MeV : combinatorics による異方性が支配的になる.
- 電子陽電子対の偏光測定
どの質量領域(Mee<100MeV:Pi0 Dalitz, Mee>100MeV:combinatoricsが
支配的)でも偏光度は誤差の範囲で0に一致.
 全統計の解析を行い,Combinatorics やハドロン崩壊起源などの
バックグラウンドの差引により仮想光子成分を抽出し,異方性と
偏光の衝突中心度依存性や横方向運動量依存性などの系統的
測定を通して,強磁場の検出を目指す.
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Back up
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The field estimation
• Impact parameter, energy, and time dependence
Spectators and participants
Participants only
By A.Tsuji
Glauber model
√SNN=200GeV
Au+Au
JAM model*
t(fm/c)
Impact parameter b(fm)
– The field intensity reaches maximum in peripheral collisions
(Bmax~1015Tesla) and grows with the beam energy.
– The field rapidly damps, but is still above Bc for a few fm/c.
* JAM (Y.Nara, N.Otuka, A.Ohnishi, K.Niita, S.Chiba, PRC61 (2000) 024901)
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電子陽電子対の質量分布(PHENIX)
borrowed from PHENIX (PRL 104, 132301 (2010))
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電子陽電子対の異方性
 すべての電子陽電子対を測定.
(Combinatorics , hadron cocktail などの
バックグラウンドを含んでいる)
 0<Mee<30MeV : π0 Dalitz崩壊からくる電子対
が支配的であるはず.
→ 全ての電子陽電子対が持つ異方性は,
π中間子のv2から見積もった 異方性と
一致している.
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
 Mee>100MeV : Combinatorial backgroundが
約99%を占めている.
Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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Work in progress
22/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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同符号(--)電子対の異方性
Like-sign(--)
 ほぼCombinatorial backgroundをみていること
を意味する.
 0<Mee<30MeV : 全てのe+e-が持つ異方性は,
π中間子のv2から見積もった無相関粒子が
持つ 異方性と一致している.
 Mee>100MeV : Combinatorial backgroundが
支配的になる.
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
 同符号(++)電子対でも同様の結果
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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同符号(++)電子対の異方性
Like-sign(++)
 ほぼCombinatorial backgroundをみていること
を意味する.
 0<Mee<30MeV : 全てのe+e-が持つ異方性は,
π中間子のv2から見積もった無相関粒子が
持つ 異方性と一致している.
 Mee>100MeV : Combinatorial backgroundが
支配的になる.
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
 同符号(--)電子対でも同様の結果
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
29pHA-5 2013/3/29
日本物理学会@広島大学 辻亜紗子
Work in progress
21/03/2013
EP resolution not corrected
Pb-Pb, √SNN=2.76TeV
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理論計算の詳細
Di-electron production rate
R p1 p 2 
E 1 E 2 dN
3
3


e e
4

d p1 d p 2 d x

2

2
4
L

( p 1 , p 2 ) D   ( q , eB ) D  ( q , eB )

 i  
1

g


(
q
,
B
)

2 
2
q 
q



 g

(q, B )  g

||

q q q
2



||

q ||  q || q ||
2
  g q
N   g

1



T
1
Mee=200(MeV/c2)
B=1015(Tesla)
1
2
||
0
by K.Ishikawa and A.Tsuji
Vacuum polarization tensor in strong magnetic field

q
e
p1,2 : 4D momentum of leg-electron
L : kinematics of electron pair
Last factor : approximated as a constant term
D: Photon propagator
D  ( q ) 
Im G R ( q , T , eB )
*
 
q N




B
 q || q ||  g  q   q  q  N 0

q  q
2
2


2
Kerbstein et al. Intl.J.Mod.Phys.[arXiv:1111.5984[hep-ph] / Hattori,Itakura [arXiv:1209.2663]
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How to calculate polarization
Calculate the angle between (Pe  Pe ) and

① ( e X'  e Z )

② (Pe   Pe  )  e Z
③ (Pe  Pe )  (Pe  Pe ) X' Z




Y’
Y’
Y’
X’
X’
X’
Z
Z
This analysis
Developing better variables to calculate polarization
Y’ is magnetic field vector
X’-Z is reaction plane
: (P  P )
e
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Z

e

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How to calculate polarization
B
P// 
P 
 A  1
 A  1
 A  1   A  1 P
 A  1   A  1 P
A : ALICE検出器のアクセプタンス
P : 偏光度
P
P 
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N zx  N xy
N zx  N xy
Reaction plane
P  P//
1  P P//
P// 
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N zy  N xy
N zy  N xy
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