In modern particle physics, a standard model to describe the dynamics of elementary particles, quarks, leptons and gauge bosons, has been developed. Quantum ChromoDynamics (QCD) is known as the theory to describe behaviors of strong interaction among quarks and gluons. There are two kinds of important features in the QCD: "color confinement" and "asymptotic freedom". Ordinarily quarks and gluons, which have a degree of freedom of color, are confined in hadrons as a color-singlet state. On the other hand,the strong coupling constant (αs) decreases at a large momentum transfer in high energy reaction, or in the environment of extremely high temperature or density. Thus, as the temperature or density of many-body system of hadrons are increased, a normal nuclear state is expected to transit into a new state of matter where quarks and gluons become color de-confined. The new state of matter is called "Quark Gluon Plasma" (QGP).

Such an extreme state of matter is expected to be formed in ultra-relativistic heavy ion collisions. Many heavy ion experiments have been carried out to find the signature of the state for a long time. Recently, Au+Au collisions whose center of mass energy per nucleon (sNN) is 200 GeV have been performed at Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven National Laboratory (BNL), USA. In this thesis, the measurements of neutral pions and direct photons in the relativistic Au+Au collisions using RHIC-PHENIX spectrometer are reported. Neutral pions and direct photons are measured up to high transverse momentum (pr) of 20 GeV/c at mid-rapidity. From the comparison with the p+p data measured at the same experiment, the nuclear modifications on the neutral pion and direct photon production in Au+Au collisions are studied.

In the most central collisions, the suppression of neutral pion production at high-pT has been observed, compared to the yield in p+p collision at same s scaled by the number of underlying nucleon-nucleon collisions in Au+Au. The suppression is very strong by a factor of ~ 5, and is almost constant from pT ~ 1 GeV/c up to pT ~ 20 GeV/c. In contrast, the direct photon yields in Au+Au collisions are in good agreement with the scaled p+p data.

Since most of high-pr direct photons originate from initial hard-scattering processes and do not interact with the matter strongly, the agreement between measurement and the scaled p+p data of the direct photon yield suggests the initial hard-scattering probability is not reduced in the Au+Au collisions. It supports that point-like scaling, and binary scaling of high-pT hadron production relative to p+p collisions is well represented by the Monte Carlo calculation which employs Glauber model. Therefore, the strong suppression of neutral pion production can be understood as due to the interaction of hard scattered partons in the created dense matter.

The suppression is interpreted as the consequence of parton energy loss through gluon bremsstrahlung in the created dense matter. Based on the comparison of neutral pion suppression pattern with a theoretical calculation by I. Vitev who employs GLV energy loss formalism, the effective gluon density (dNgeff /dy) of the dense matter produced in sNN = 200 GeV Au+Au collisions are estimated quantitatively to be about 1300+300-300 On the assumption of the formation of gluon dominated plasma with the formation time of 0.6 fm, it corresponds to the energy density of 18 GeV/fm3.

本論文は8章からなる。第1章は序章でありこの研究の背景が簡潔に述べられている。第2章ではさらに詳しくこの研究の理論的・実験的背景が述べられ、第3章では実験装置の詳細な説明、第4章では使用したデータに関しての説明が述べられている。第5章で実験データの解析手順を詳細に説明した後に、第6章で実験結果が提示してある。第7章ではその結果と様々な理論予測との比較を行ったあと、第8章で全体のまとめとなっている。

本論文は、高エネルギーの重イオン重イオン衝突反応において高い横運動量をもった中性パイ中間子と直接光子の生成断面積を測定し、それを陽子・陽子衝突の場合と比較した研究である。本研究は、米国ブルックヘブン国立研究所に建設された重イオン衝突型加速器(RHIC)において得られた、重心系エネルギー200AGeVでの金・金衝突事象を用いて行われた。

高エネルギーの重イオン反応では、高温高密度の核物質が生成され、核子を構成するクォークとグルーオンからなる新しい相が起こる可能性が示唆されている。初期のRHICからの実験結果でも、高い横運動量を持つパイ中間子の生成量が、陽子・陽子衝突の単純な重ね合わせから考えるより減っていることや、ジェット現象の頻度が少なくなっていることなどが発表されており、衝突で生じた高い横運動量を持つクォークのエネルギーが、高密度の核物質を通過中に大きく減衰するという考察が得られていた。論文提出者は、2004年に収集したデータを解析することにより、初期の結果より10倍以上高い統計で中性パイ中間子の生成量を測定しなおした。また、直接光子も同時に測定して中性パイ中間子の場合と比較することと、高い横運動量を持つ粒子の測定に拡張することで、重イオン反応での減衰機構を考える上での重要な基礎情報を与えた。

パイ中間子の測定結果は、初期の測定で得られた結果と無矛盾でかつより精度の高い測定となった。中心衝突での収量は、陽子陽子衝突の重ね合わせからの予想量の約1/5しかなく、かつ横運動量が1GeVから20GeVまでの広い範囲でほぼ一定比率で減少していることを示した。それに対して光子の生成量は、陽子陽子衝突の重ね合わせの予想量とほぼ等しくなった。両種の粒子ともに原子核内のクォークやグルーオン(両方を総称してパートン)の高エネルギー散乱が起源と考えられるので、衝突でできた高温高密度状態を通過するときに、光子はほぼそのまま出てくるが、パイ中間子の生成のもととなるパートンは大きなエネルギーを失っているという説を強く支持する実験結果である。

パイ中間子抑制のエネルギー依存性から、生成物質中でのパートンのエネルギー損失の様子が推論できる。測定結果は、通過パートンのエネルギーが高くなるほど損失が高くなるという、量子色力学をもとにしたモデルとあっていることがわかった。このモデルをもとに通過した物質内部のグルーオンの密度を推定した。単位ラピディテイあたりのグルーオンが約1300個となり、その状態のエネルギー密度は18GeV/fm3となって、格子量子色力学で予測されているクォーク・グルーオンプラズマ状態への遷移密度よりはるかに大きくなっていること示した。ただしこれらの値を出すにあたっては多くの理論的仮定が入っており、これを持ってグルーオン密度およびエネルギー密度の測定値とすることはできない。しかし、この研究結果をもとに、既に高温高密度の核物質のモデルが多くの研究者によって新たに提唱されており、この実験結果は原子核衝突の反応の推移を研究する上で重要な意味を持っている。

ここまでに述べたように、この研究は、高温高密度状態でのクォークの相互作用を研究する上で非常に質の高い重要な情報を与えるものであり、実験結果自体で学位にふさわしい業績と考える。

なお、本論文は、国際共同実験グループPHENIXでの共同研究であるが、この研究に関しては論文提出者が主体となって解析しており、また実験遂行に当たっても、論文提出者は粒子識別のための測定器の整備等で大きな貢献をしている。したがって論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。