[論文レビュー] Bulk viscosity in heavy ion collision

Victor Roy, Asim Chaudhuri|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2012

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、重イオン衝突における相対論的粘性流体力学的シミュレーションにおいて、温度依存性を持つ体積粘性係数とエントロピー密度比（ζ/s）の影響を、Israel-Stewart形式に基づいて検討した。著者らは、凍結放出補正にGradの14モーメント法を用いる場合、ζ/s < 0.004の範囲でのみ有効であることを発見した。体積粘性係数は、π粒子のpTスペクトルに対して最大約10%の相対的補正を引き起こし、v2に対しては約3%の補正をもたらす。これは、ζ/sが小さい場合に観測量にわずかだが測定可能な影響を与えることを示している。

ABSTRACT

The effect of a temperature dependent bulk viscosity to entropy density ratio~($ζ/s$) along with a constant shear viscosity to entropy density ratio~($η/s$) on the space time evolution of the fluid produced in high energy heavy ion collisions have been studied in a relativistic viscous hydrodynamics model. The boost invariant Israel-Stewart theory of causal relativistic viscous hydrodynamics is used to simulate the evolution of the fluid in 2 spatial and 1 temporal dimension. The dissipative correction to the freezeout distribution for bulk viscosity is calculated using Grad's fourteen moment method. From our simulation we show that the method is applicable only for $ζ/s&lt;0.004$.

研究の動機と目的

• 相対論的重イオン衝突における流体の進化に及ぼす温度依存性を持つ体積粘性係数（ζ/s）の影響を評価すること。
• さまざまなζ/s値における、非平衡的補正を計算するためのGradの14モーメント法の有効性を評価すること。
• 体積粘性係数がπ粒子の横運動量スペクトルや楕円流動（v2）といった主要な観測量に与える影響を定量化すること。
• 凍結放出補正手順が物理的に信頼できる範囲のζ/sの上限を特定すること。

提案手法

• 2+1次元で流体の進化をシミュレートするために、Israel-Stewart理論に基づく因果的相対論的粘性流体力学フレームワークを採用した。
• QGP相には格子QCDのデータを、ハドロン相にはハドロンレゾンアンサンブルモデルを組み合わせたハイブリッド状態方程式を用い、臨界温度Tc = 174 MeVで接続した。
• pQCDに基づく式 ζ/s = 15(η/s)(1/3 - c²s)² を用いて、温度依存性を持つζ/sを実装し、c²sは格子データから導出した。
• 凍結放出分布関数への非平衡補正を計算するために、Gradの14モーメント法を適用した。
• 初期エネルギー密度 ε₀ = 30 GeV/fm³ を二成分Glauberモデルから得て、Cooper-Freelyアルゴリズムを用いてTfo = 130 MeVで凍結放出を設定した。
• エネルギー運動量保存則 ∂μTμν = 0 と、剪切応力および体積応力の緩和方程式を解き、初期の粘性応力をNavier-Stokes推定値に設定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度依存性を持つ体積粘性係数（ζ/s）は、重イオン衝突におけるクォーク-グルーオンプラズマの時空的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 体積粘性係数補正は、理想流体力学と比較して、π粒子の横運動量スペクトルおよび楕円流動（v2）にどの程度の変化をもたらすか？
• RQ3 Gradの14モーメント法による凍結放出補正が物理的に有効である範囲のζ/sの最大値は何か？
• RQ4 pTスペクトルおよびv2に対する相対的補正は、ζ/sの増加に伴いどのように変化するか？また、実験的に観測可能かどうかの整合性は保たれているか？

主な発見

• 体積粘性係数によるπ粒子の不変生成断面積に対する相対的補正は、研究されたpT範囲全域で約10%以内にとどまり、中程度のが測定可能な影響を示している。
• 体積粘性係数による楕円流動（v2）への相対的補正は3%未満であり、非対称流動にわずかだが無視できない影響を与えている。
• 凍結放出補正手順が、生成断面積に対する相対的補正が50%を超えると破綻するため、ζ/s < 0.004の範囲でのみ適用可能である。
• ζ/sが0.004未満の範囲でのみ、この手法が有効であり、それ以上の値では物理的に不適切な補正が生じ、信頼性の閾値を超える。
• 体積粘性係数は、圧力の低下により、理想流体力学と比較して空間的に平均化された横速度 ⟨⟨vT⟩⟩ を減少させる。
• 剪切粘性と体積粘性の両方が、運動量空間の非対称性εpを抑制し、これはv2の低減と相関しており、流れ勾配の粘性減衰と整合的である。