[論文レビュー] An Experimental Exploration of the QCD Phase Diagram: The Search for the Critical Point and the Onset of De-confinement

STAR Collaboration, M. M. Aggarwal+382 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2010

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 94

ひとこと要約

本論文は、QCD相図の探索を目的としたRHICにおけるビームエネルギースキャン（BES）計画を提案しており、STAR検出器を用いて臨界点の特定と脱コンfinementの始まりの解明を図る。ビームエネルギーを5から39 GeV√sの範囲で変化させることで、流れ、相関、保存量のフラクチュエーションにおける非単調な振るまいをマッピングし、臨界点または一次相転移の特定を可能にする。

ABSTRACT

The QCD phase diagram lies at the heart of what the RHIC Physics Program is all about. While RHIC has been operating very successfully at or close to its maximum energy for almost a decade, it has become clear that this collider can also be operated at lower energies down to 5 GeV without extensive upgrades. An exploration of the full region of beam energies available at the RHIC facility is imperative. The STAR detector, due to its large uniform acceptance and excellent particle identification capabilities, is uniquely positioned to carry out this program in depth and detail. The first exploratory beam energy scan (BES) run at RHIC took place in 2010 (Run 10), since several STAR upgrades, most importantly a full barrel Time of Flight detector, are now completed which add new capabilities important for the interesting physics at BES energies. In this document we discuss current proposed measurements, with estimations of the accuracy of the measurements given an assumed event count at each beam energy.

研究の動機と目的

• ビームエネルギーを系統的に変化させることで、低バリオン密度領域におけるQCD相図の探索を目的とする。
• バリオン数や奇道数といった保存量のフラクチュエーションを通じて、QCD相図における臨界点の同定を目的とする。
• 流れ観測量のエネルギー依存性に非単調な振るまいが見られるかどうかを分析することで、相転移の性質（一次相転移か連続的転移か）を解明する。
• SPSのデータを越えて、特にK/π比の「ほん」付近の未探索エネルギー領域への実験的カバレッジを拡大する。
• sQGP媒体の性質と、構成クォークスケーリングが崩れるエネルギースケールの正確な決定を可能にする。

提案手法

• 金-金衝突を用いて、RHICで5から39 GeV√sのビームエネルギーを対象としたマルチエネルギー走査を実施する。
• STAR検出器を用いて、粒子生成断面積、流れ調和（v₂）、保存量子数（バリオン数、奇道数）の相関を測定する。
• 流れおよびフラクチュエーション観測量の非単調なエネルギー依存性を、臨界点ダイナミクスの兆候として分析する。
• イベントごとの分析を適用し、保存量の積率を抽出し、そのエネルギー依存性を検討する。
• 照射量の推定と走行時間の予測を用いてデータ収集を最適化し、1日あたり10時間のビーム時間と、1点あたり400万～3300万イベントのターゲットイベント数を想定する。
• 2段階の走行計画を実装する：まず広範囲のスキャンで興味深いエネルギー領域を特定し、その後、選択されたエネルギーで高い統計をもって集中走行を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流れ調和（例：v₂）のエネルギー依存性に、QCD相図における臨界点を示す非単調な振るまいが見られるか？
• RQ2 特定のビームエネルギーで、保存量子数（バリオン数、奇道数）のフラクチュエーションが増幅しており、臨界点に近い兆候が示されているか？
• RQ3 どのビームエネルギーで、観測量の非単調な振るまいから、クォーク-グルーオンプラズマへの転移が一次的であると示唆されるか？
• RQ4 低エネルギーでの測定された粒子比および相関は、SPSで観測されたものと比較してどう異なるか？ これにより、脱コンフィネーションの始まりに関する何が明らかになるか？
• RQ5 BES計画により、構成クォークスケーリングが楕円流れで崩れるエネルギースケールをより正確に特定できるか？

主な発見

• 提案されたRHICにおけるビームエネルギースキャンでは、5 GeV√sで35日間で100万イベントを達成可能であり、40 GeV√sでは200イベント/秒のレートに達する。
• ビームエネルギーを5.0、7.7、11.5、17.3、27、39 GeV√sと設定した走行計画を提案し、1点あたり400万～3300万イベントのターゲットを設定する。
• SPS実験で観測されたK/π比の「ほん」付近の領域をカバーするよう設計されており、低エネルギー領域へのカバレッジを拡大する。
• 流れや保存量のフラクチュエーションに非単調なフラクチュエーションが観測された場合、臨界点の証拠が得られる見込みである。
• STARの検出器システムはBES計画に適しており、v₂や積率といった主要な観測量を十分な透過率と分解能で測定可能である。
• スキャンの第2段階では、第1段階で特定された有望な領域に焦点を当て、高い照射量で走行を行う。