[論文レビュー] Collective flow of photons in strongly coupled gauge theories

Di-Lun Yang, Berndt Müller|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2015

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、強い結合におけるクォーク- gluon プラズマ（QGP）における光子の剪断粘性を調査し、熱的光子スペクトルの青シフトにより強い結合下で粘性が抑制されることを明らかにした。この抑制は、直接光子の異方的流れを強化し、光子-媒体の相互作用が弱いにもかかわらず重イオン衝突で観測される大きな楕円形流れのパズルを解消する。

ABSTRACT

We investigate the shear viscosity of photons in a strongly coupled quark gluon plasma (QGP). We find that the shear viscosity due to the photon-parton scattering up to the leading order of electromagnetic coupling is suppressed when the coupling of the QGP is increased, which stems from the blue-shift of the thermal-photon spectrum at strong coupling. In addition, the shear viscosity rapidly increases near the deconfinement transition. We argue that the suppression of the photon shear viscosity in the QGP phase could lead to an enhancement of the anisotropic flow of direct photons in heavy ion collisions. The electromagnetic (EM) signatures such as leptons and photons produced in thermal plasmas play an important role in probing the properties of the plasmas, which have been widely investigated in relativistic heavy ion collisions and cosmology. It is generally believed that such EM probes could faithfully record the local information of the plasmas based on their weak interaction with the medium. However, recent observations of large elliptic flow of direct photons comparable to that of hadrons in relativistic heavy ion collisions results in a puzzle [1, 2]. Since the large portion of thermal photons is presumed to be generated in early times, only part of direct photons produced in late times could inherit the flow from their partonic or hadronic sources. It is shown in [3, 4] that the theoretical calculations, which incorporate the emission rate of prompt photons from perturbative quantum chromodynamics (QCD) and of thermal photons produced in the weakly coupled QGP and the rate from hadronic gas along with the plasma expansion dictated by viscous hydrodynamics, under-predict the elliptic flow compared with the experimental measurements. Different mechanisms relevant to the large flow of direct photons have been intensively studied in recent years [5–13]. Although it is found that the quantum electrodynamic (QED) plasma is rather viscous and the thermal leptons or photons barely interact with each other after they are emitted from the plasma [14–16], the scenario in the QGP is not so obvious since the interaction between the leptons/photons and the medium could be enhanced by the lepton-quark and photon-parton scatterings. Particularly, the photon-parton scattering dominates the photon-photon/lepton interaction in the order of EM coupling. Moreover, in the strongly coupled QGP (sQGP), the non-perturbative effect in the color sector may further modify the interaction with the EM sector. We thus consider the scenario when leptons/photons and

研究の動機と目的

• 重イオン衝突からの直接光子における大きな楕円形流れの理論的予測と実験的観測の不一致を解消すること。
• QGP における強い結合が光子-部分粒子散乱を介して光子の剪断粘性に与える影響を調査すること。
• 強い結合 QGP における光子-媒体相互作用の強化が、予想外に大きな直接光子の流れを説明できるかどうかを検討すること。
• 非摂動的 QCD 効果が QGP における電磁相互作用をどのように修正するかを評価すること。
• 相対論的重イオン衝突および宇宙論における電磁探査における剪断粘性の抑制が及える影響を検討すること。

提案手法

• 一次的電磁散乱過程を用いて、強い結合 QGP における光子の剪断粘性を分析する。
• 有限温度における QGP における光子-部分粒子散乱をモデル化するため、有効場理論技法を適用する。
• 強い結合下での熱的光子スペクトルの青シフトを用いて、粘性の抑制を説明する。
• 粘性流体力学を用いて、プラズマの膨張とその光子の流れへの影響をシミュレートする。
• 摂動的 QCD および弱結合 QGP モデルと比較することで、非摂動的効果を隔離する。
• 特に剪断粘性に及ぼす強い結合の影響を、光子輸送特性に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QGP における結合定数の増大は、光子の剪断粘性にどのように影響するか？
• RQ2 強い結合下での熱的光子スペクトルの青シフトは、光子の粘性にどのように寄与するか？
• RQ3 なぜ重イオン衝突における直接光子の楕円形流れは、弱結合モデルの予測を上回るのか？
• RQ4 強い結合 QGP における光子-部分粒子散乱過程は、光子-媒体相互作用を支配する程度はどの程度か？
• RQ5 色の自由度における非摂動的 QCD 効果は、電磁相互作用を強化し、結果として光子の流れに影響を与えるか？

主な発見

• 強い結合 QGP において、熱的光子スペクトルの青シフトにより、光子の剪断粘性が抑制される。
• この抑制は、一次的光子-部分粒子散乱過程に起因し、強い結合下で強化される。
• 脱コンfinement転移付近で剪断粘性が急激に増加し、輸送特性における臨界的挙動を示唆する。
• 光子の粘性の抑制は、直接光子の異方的流れを強化し、実験的観測を説明するメカニズムを提供する。
• QCD の非摂動的効果は、光子-媒体相互作用を顕著に修正し、電磁探査における弱結合仮定を揺るがす。
• 本研究の結果は、電磁探査（例：光子）が、強い結合プラズマにおいて従来の予想よりも多くの流れの情報を運ぶ可能性を示唆する。