[論文レビュー] Baryon Annihilation and Regeneration in Heavy Ion Collisions

Yinghua Pan, Scott Pratt|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2012

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、相対論的重イオン衝突のハドロン段階において、化学的平衡にあるハドロンガスが流体力学的膨張を経験する運動論的モデルを用いて、バリオンの消失および再生を調査している。バリオン数は消失により約40%減少するが、再生がその損失を約50%から約40%に減少させ、化学的freeze-out温度およびp/π比に顕著な影響を及ぼす。したがって、LHCエネルギーにおけるバリオン生成率予測の精度を20%未満に保つには再生を含める必要があることが強調されている。

ABSTRACT

The role of baryon-antibaryon annihilation during the hadronic stage of a relativistic heavy ion collision is explored by simulating the chemical evolution of a hadron gas. Beginning with a chemically equilibrated gas at an initial temperature of 170 MeV, the chemical composition of a representative hydrodynamic cell is followed throughout the hadronic stage. The cell's volume changes with time according to a parameterization that mimics a three-dimensional hydrodynamic expansion. The chemical evolution includes both annihilation and regeneration of baryons, consistent with detailed balance. During the hadronic stage, the number of baryons drops by approximately $40\%$ for the case where there is no net baryonic charge. When the calculations are performed without the baryon regenerating processes, e.g. $5π ightarrow p\bar{p}$, the loss of baryons was found to be closer to $50\%$. After accounting for annihilation, yields are consistent with measurements from the ALICE Collaboration at the LHC. Baryon annihilation is shown to alter the extracted chemical breakup temperature by significantly changing the $p/π$ ratio. Assuming that annihilation cross sections are independent of the strangeness and isospin of the annihilating baryon and anti-baryon, the loss of strange baryons from annihilation is found to be similar.

研究の動機と目的

• 重イオン衝突のハドロン段階におけるバリオン-反バリオン消失および再生が化学的進化に与える影響を評価すること。
• 再生プロセスがバリオン生成率および推定される化学的freeze-out温度に顕著に影響を与えるかどうかを特定すること。
• 正確なバリオン生成率予測のため、微視的輸送モデルに再生を含める必要性を評価すること。
• 特にLHC測定と照らし合わせて、消失および再生がバリオンおよびストレンジバリオン生成率に与える影響を比較すること。
• 局所的運動論的平衡の仮定下で、特にp/π比のような粒子比が消失および再生にどれほど感受的であるかを検討すること。

提案手法

• 初期に化学的平衡状態（170 MeV）を仮定し、バリオン数を保存するハドロンガスの運動論的モデルを用いる。
• 系の時間発展は、体積が時間とともに変化するパラメータ化された三次元流体力学的膨張に従う。
• 詳細な釣り合いを満たすように、$n\pi \rightarrow p\bar{p}$ や $5\pi \rightarrow p\bar{p}$ などの消失および再生プロセスを一貫して含める。
• 局所的運動論的平衡を仮定し、フェルミ・ディラック統計に従うフェルミ・ファクターの時間的変化を追跡することで、化学組成の変化を記述する。
• 再生の有無を比較することで、バリオン数損失に対する再生の寄与を分離する。
• 微視的輸送シミュレーションとの比較により、消失率が1–2%の範囲で一致することを確認し、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリオン-反バリオン消失は、重イオン衝突のハドロン段階において、どの程度バリオン生成率を減少させるか？
• RQ2 バリオン再生は、消失によって引き起こされるバリオンの純損失をどの程度減少させるか？
• RQ3 消失および再生が、特にp/π比を通じて推定される化学的freeze-out温度に与える影響は何か？
• RQ4 ALICE協会のLHC測定結果と比較して、バリオン対メソン比に関して、本結果はどの程度一致するか？
• RQ5 ハイパーヨン消失断面積の不確実性は、ストレンジバリオン生成率予測の信頼性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 消失の影響で、ハドロン段階中、バリオン数は約40%減少するが、再生を含んでも同様にほぼ同じ程度の減少が見られる。
• 再生を含まない場合、バリオン損失はほぼ50%にまで増加し、再生が消失の影響を顕著に緩和することが示された。
• 再生がない状況と比較して、再生によりバリオンの純損失が約20%減少し、合計損失は約40%にまで低下する。
• 消失および再生の取り込みにより、p/π比が変化し、これが推定される化学的freeze-out温度に影響を及ぼす。このため、解釈において極めて重要な要因となる。
• モデルの消失率は、微視的シミュレーションと1–2%の範囲で一致しており、簡略化を伴うにもかかわらず運動論的手法の妥当性が裏付けられた。
• 結果から、とりわけ10%レベルでの精度を達成するには、微視的モデルに再生を含める必要があることが示唆された。