[論文レビュー] Advances in Quark Gluon Plasma

Ginés Martinez|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2013

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 28被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、クォーカー・グルーオンプラズマ（QGP）物理学について包括的なレビューを提供しており、QCDの基礎、相転移、RHICおよびLHCの重イオン衝突からの実験的結果を網羅している。強い相互作用を示すQGPが、ほぼ完全な流動性を示すことが、流体力学的モデルと集団的流れ、ジェット遮断、部分粒子のエネルギー損失の測定によって裏付けられている。

ABSTRACT

In the last 20 years, heavy-ion collisions have been a unique way to study the hadronic matter in the laboratory. Its phase diagram remains unknown, although many experimental and theoretical studies have been undertaken in the last decades. The Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at BNL was the first ever built heavy-ion collider. RHIC delivered its first collisions in June 2000 boosting the heavy-ion community. Impressive amount of experimental results has been obtained. In November 2010, the Large Hadron Collider (LHC) at CERN delivered lead-lead collisions at unprecedented center-of-mass energies, 14 times larger than that at RHIC. Needless to say that the heavy-ion programs at RHIC and LHC promise fascinating and exciting results in the next decade. In the second part, a historical approach will be adopted, starting with the notion of limiting temperature of matter introduced by Hagedorn in the 60's and the discovery of the QCD asymptotic freedom in the 70's. The phase diagram of hadronic matter, conceived as nowadays, will be shown together with the most important predictions of lattice QCD calculations at finite temperature. In the third part, the heavy-ion collisions at ultra-relativistic energies will be proposed as a unique experimental method to study QGP in the laboratory, as suggested by the Bjorken model. In the last part of these lectures, I will present my biased review of the numerous experimental results obtained in the last decade at RHIC which lead to the concept of strong interacting QGP, and the first results obtained at LHC with the 2010 and 2011 PbPb runs. Finally, the last section is devoted to refer to other lectures about quark gluon plasma and heavy ion physics.

研究の動機と目的

• QCDおよびQGP相図の教育的概説を提供すること。理論的基盤と実験的進展に重点を置く。
• RHICおよびLHCの実験データに基づき、重イオン衝突における強い相互作用型QGPの出現を説明すること。
• スピン対称性の回復や色スクリーニングといった理論的概念を、ジェット遮断や流れといった観測可能な現象と結びつけること。
• 粒子生成度、核修飾因子、高生成度pp衝突における集団的挙動といった主要な実験的観測量を要約すること。
• 研究者らがQGPおよび重イオン物理学の基礎的講義やリソースへと深く学ぶための道案内をすること。

提案手法

• QCD、漸近的自由性、ハーゲン・限界温度の歴史的かつ概念的なアプローチによる導入。
• 有限温度における格子QCD計算を用いて、相転移の挙動と臨界温度を予測。
• 熱場理論と黒体放射の類似性を用いて、理想な超相対論的QGPの性質を導出。
• Bjorken流体力学的シナリオを用いて重イオン衝突をモデル化し、熱化から凍結までの時空的進化を記述。
• J/ψの抑制（色スクリーニング）、ジェット遮断（エネルギー損失）、流れの測定（集団的挙動）といった実験的プローブを分析。
• RHICおよびLHCの結果を比較し、中心性依存の観測量と核修飾因子（R_AA）に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD相転移の主な理論的兆候、特にスピン対称性の回復と脱コンfinementとは何か？
• RQ2 有限温度における格子QCD計算は、QCD相図の構造をどのように情報提供するか？
• RQ3 重イオン衝突で形成されたQGPは、どの程度強い結合性・ほぼ完全な流体として振る舞うか？
• RQ4 ジェット遮断、流れ、J/ψの抑制といった実験的兆候は、脱コンフィンされ、強い相互作用を示すQGPの存在をどのように裏付けるか？
• RQ5 高生成度pp衝突は、重イオン衝突で観測されたものと類似した集団的挙動を示すか？これはQGPに類似した媒体の存在を示唆するか？

主な発見

• RHICおよびLHCで形成されたQGPは、ほぼ完全な流動性を示しており、剪断粘性率とエントロピー密度比（η/s）が量子的下限値1/(4π)に非常に近い。
• LHCにおける高生成度pp衝突での電荷粒子生成度は、RHICの外側のAu-Au衝突と同等の値に達しており、集団的効果の可能性を示唆している。
• RHICおよびLHCの両方で、高pTのハドロンに対する核修飾因子（R_AA）は顕著に抑制されており、QGP内での部分粒子のエネルギー損失が強いことを示している。
• 重イオン衝突におけるJ/ψの抑制は、重いクォークポテンシャルの色スクリーニングと整合しており、媒体の脱コンフィン状態が確認された。
• 高生成度pp衝突におけるリッジ構造の観測は、長距離の近接側角度相関を示しており、可能ないくつかの集団的挙動を示唆している。
• RHICの重イオン衝突でヘリウム-4の反粒子が観測され、QGP環境における効率的な反物質生成が実証された。