[論文レビュー] Collective flow and hydrodynamics in large and small systems at the LHC

Huichao Song, Y. Zhou+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2017

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 213被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける大型（Pb–Pb）および小型（p–Pb、p–p）系における集団的流れと流体力学的性質をレビューし、高多重度の小型系においても流体力学的モデルが流れの調和成分および相関をうまく記述できることを示しており、系のサイズが小さくても集団的挙動が存在することを示している。主な貢献は、小型系におけるクォーク- gluonプラズマが流体力学的挙動を示す証拠であり、集団的挙動が発現するには大型系である必要があるという従来の仮定に挑戦するものである。

ABSTRACT

In this article, we briefly review the recent progress on collective flow and hydrodynamics in large and small systems at the Large Hadron Collider (LHC), which includes the following topics: extracting the QGP viscosity from the flow data, initial state fluctuations and final state correlations in 2.76 A TeV Pb--Pb collisions, correlations and collective flow in high energy p--Pb and p--p collisions.

研究の動機と目的

• LHCにおける小型衝突系での集団的流れの出現を調査し、大型系のみが流体力学的挙動を示すという概念に挑戦すること。
• 流体力学的モデルが高多重度のp–Pbおよびp–p衝突における流れの観測量を定量的に記述できるかどうかを評価すること。
• 初期状態のフラクチュエーションと最終状態の相関が、さまざまな系サイズにおける流れのパターンをどのように形作るかを調査すること。
• 小型系の流れデータを外縁領域のPb–Pb衝突データと比較し、集団的ダイナミクスの類似性を評価すること。
• 多調和流れ測定を用いて、クォーク-グルーオンプラズマの粘性および輸送特性を制約すること。

提案手法

• LHCのALICE、ATLAS、CMS、PHENIX実験が得た、√sNN = 2.76 TeVおよび5.02 TeVにおけるPb–Pb、p–Pb、p–p衝突のアズィムス角相関データを分析する。
• イベントごとの流体力学的シミュレーションおよびハイブリッドモデルを用い、初期状態の幾何学的構造およびフラクチュエーションを、最終状態の流れ調和成分（v₂、v₃、v₄）に結びつける。
• 流れ調和成分（vₙ）および高次累積量（例：4粒子累積量）を用いて、単一粒子スペクトルを超えた相関および集団的挙動を調査する。
• 高多重度のp–Pbイベントの流れパターンを外縁領域のPb–Pbイベントと比較し、流体力学的挙動に類似した特徴を特定する。
• イベントごとのシミュレーションを用いて、初期状態のフラクチュエーションが三角形および四角形流れをどのように生成するかを評価する。
• v₂質量順序および流れベクトルの非相関性といった実験データを用いて流体力学的モデルをテストし、集団的挙動の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体力学的モデルは、LHCにおける高多重度のp–Pbおよびp–p衝突における集団的流れを成功裏に記述できるか？
• RQ2 初期状態のフラクチュエーションが小型系における流れ調和成分を生成する役割は何か？
• RQ3 小型系における流れ観測量は、外縁領域のPb–Pb衝突におけるそれらと定量的にどのように比較できるか？
• RQ4 高多重度p–Pb衝突における4粒子累積量の符号反転の観測が、小型系における集団的挙動の性質に何を示唆するか？
• RQ5 小型系におけるクォーク-グルーオンプラズマは、低粘性によって示されるほぼ完全流体の性質をどの程度示しているか？

主な発見

• √sNN = 5.02 TeVにおける高多重度p–Pb衝突は、多重度が一致する外縁領域のPb–Pb衝突（√sNN = 2.76 TeV）と同様の2粒子相関構造を示す。
• 高多重度p–Pb衝突における4粒子累積量の符号反転の観測は、独立した粒子放出を越えた非自明な集団的ダイナミクスを示している。
• 高多重度p–Pb衝突における特定化粒子は、v₂における質量順序パターンを示しており、流体力学的流れの予測と整合的である。
• 流体力学的シミュレーションは、小型系における流れデータの主要な特徴をうまく再現できており、集団的膨張の存在を支持する。
• 小型系における剪断粘性率とエントロピー密度比（η/s）は、大型系におけるクォーク-グルーオンプラズマのそれと一致しており、ほぼ完全流体であることを示唆している。
• イベントごとの流れ調和分布および小型系における流れベクトル間の相関は、大型系と類似した構造を示しており、さらなる集団的挙動の証拠となっている。