[論文レビュー] Clocking hadronization in relativistic heavy ion collisions with balance functions

Steffen A. Bass, Pavel Danielewicz+1 more|CERN Bulletin|May 15, 2000

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、相対論的重イオン衝突におけるクォークの生成時刻を特定するため、相反電荷粒子間の相関を測定するバランス関数を用いる手法を提案する。相対的ラピディティにおけるこれらの相関の幅を分析することで、後段のハドロン化が散乱を介してバランス関数を広げるのに対し、初期に生成されたクォークはより鋭いピークを示すことが示され、クォーク・グルーオン・プラズマ形成と後段のハドロン化のシナリオを明確に区別する手がかりが得られる。

ABSTRACT

A novel state of matter has been hypothesized to exist during the early stage of relativistic heavy ion collisions, with normal hadrons not appearing until several fm/c after the start of the reaction. To test this hypothesis, correlations between charges and their associated anticharges are evaluated with the use of balance functions. It is shown that late-stage hadronization is characterized by tightly correlated charge/anticharge pairs when measured as a function of relative rapidity.

研究の動機と目的

• 相対論的重イオン衝突におけるクォーク生成の時刻を特定し、初期のクォーク・グルーオン・プラズマ形成と後段のハドロン化を区別すること。
• 重イオン衝突で観測されるストレンジネスの増幅が、初期のクォーク生成由来か、後段のハドロン化機構由来かを検証すること。
• 電荷反粒子対間の相関パターンに基づき、クォークの生成時刻と移動性を調べるバランス関数を用いた手法を開発すること。
• 散乱と冷却がバランス関数の幅に与える影響を定量化し、後段のクォーク生成の兆候を提供すること。

提案手法

• バランス関数は、ある運動量領域に反対電荷粒子が存在する条件付き確率として定義され、式 $ B(p_2|p_1) = \frac{1}{2} \left[ \rho(b,p_2|a,p_1) - \rho(b,p_2|b,p_1) + \rho(a,p_2|b,p_1) - \rho(a,p_2|a,p_1) \right] $ を用いる。
• 相対的ラピディティ $ \Delta y $ におけるビニングを用い、バランス関数を全電荷保存に従って正規化した密度として扱う。
• モンテカルロシミュレーションにより、初期固有時間 $ \tau_0 $ における粒子生成をモデル化し、その後の衝突と冷却を想定する。$ \ln \tau $ における衝突率は一様で、温度は $ \tau=1 $ fm/c で 225 MeV から $ \tau=15 $ fm/c で 120 MeV へ線形に低下すると仮定する。
• バランス関数の幅 $ \sigma_y $ は $ \sigma_y^2 = \sigma_{\rm therm}^2 + 4\beta \ln(\tau/\tau_0) $ としてモデル化され、熱的拡산が関数を広げるのに対し、冷却がそれを狭める。
• 消滅と再結合の効果を含めたモデルでは、消滅が広がりを増大させるが、生成と消滅が等しい場合、バランス関数の形状は保存される。
• 本手法は $ K^+K^- $、$ \pi^+\pi^- $、および $ p\bar{p} $ システムに適用され、初期生成（$ \tau_0 = 1 $ fm/c）と後段生成（$ \tau_0 = 9 $ fm/c）の結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対的ラピディティにおけるバランス関数の幅は、クォーク・グルーオン・プラズマ内での初期クォーク生成と後段のハドロン化を区別できるか？
• RQ2 重イオン衝突の進化過程における複数回の衝突と冷却は、バランス関数の形状にどのように影響するか？
• RQ3 荷電粒子の散乱がバランス関数をどれほど広げるか、そしてそれが後段のクォーク生成の兆候として利用可能か？
• RQ4 消滅プロセスはバランス関数にどのように影響し、電荷反粒子対の相関構造を変えるか？
• RQ5 ストレンジネス、バリオン数などの異なる保存量を用いたバランス関数は、ハドロン化のタイミングに関する独立した制約を提供できるか？

主な発見

• バランス関数の幅は拡散散乱により時間とともに広がるが、冷却がその効果を相殺し、広がりと狭まりの競合が生じる。
• 初期生成時刻 $ \tau_0 = 1 $ fm/c で生成された粒子では、衝突がバランス関数を顕著に広げ、効果的なランダム化衝突回数はカイソンで 6–10、陽子で 2–3 に達する。
• 後段生成時刻 $ \tau_0 = 9 $ fm/c で生成された粒子は衝突回数が少ないため、広がりが小さく、後段の生成がより鋭いバランス関数をもたらす。
• 消滅を含めたモデルでは、生存する相手から新たな相関対が生成されるため、広がりが増大するが、全体のバランス関数形状は初期生成時刻に敏感なまま維持される。
• 初期に生成された $ K^+K^- $ 対のバランス関数は、散乱の増加により広がり、後段のハドロン化の明確なシグナルを提供する。
• 本手法により、パイオンのバランス関数即ちすべてのハドロン種においても、散乱の影響により生成時刻に敏感になることが示され、バランス関数がクォークのダイナミクスを全ハドロン種にわたって探査可能であることが示された。