[論文レビュー] Collective phenomena in the early stages of relativistic heavy-ion collisions

Radosław Ryblewski|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2012

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、相対論的重イオン衝突における物質生成の初期段階で強い異方性と散逸を記述できる、新しい流体力学的モデルADHYDROを提案する。一般化された状態方程式と動的なエントロピー源を組み込むことで、RHIC（200 GeV）におけるソフトハドロン観測量をうまく再現し、異方性状態が1 fm継続していること、および初期異方性があっても集団的流れの頑健性が保たれていることを明らかにした。

ABSTRACT

A recently developed framework of highly-anisotropic and strongly-dissipative hydrodynamics -- ADHYDRO -- has been introduced and used to analyze the space-time evolution of matter produced in ultra-relativistic heavy-ion collisions. The main goal of this analysis was to study the effect of initial highly-anisotropic stages on the final soft hadronic observables typically measured in the experiment. The study was done in the context of the heavy-ion measurements performed at RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) in Brookhaven National Laboratory. Starting from the general assumption about the form of the phase-space distribution function, thermodynamic properties of locally anisotropic systems of particles have been studied and the form of the generalized equation of state has been formulated. The dynamic equations determining the evolution of a highly-anisotropic fluid have been introduced. The form of the entropy source related to the mechanisms leading to thermalization of the system has been defined. In the simplest case of purely-longitudinal and boost-invariant expansion, different features of the model have been analyzed. Using the ADHYDRO model in the general (3+1)D and boost-invariant (2+1)D versions, different possible scenarios of early stages of heavy-ion collisions have been analyzed. The results of the ADHYDRO model have been compared to the results obtained from the reference, perfect-fluid hydrodynamic model -- LHYQUID. The results of the hydrodynamic models were coupled to the statistical Monte-Carlo model THERMINATOR. The following conclusions have been drawn: a) All studied observables are almost insensitive to the initial anisotropic stage provided the initial conditions of the evolution are properly readjusted, b) Complete thermalization of matter may take place only at the times of about 1 fm/c. In this way the early thermalization puzzle may be circumvented.

研究の動機と目的

• 相対論的重イオン衝突における初期段階の強い異方性を持つ物質を記述できる流体力学的フレームワークの開発。
• 熱力学的および流体力学的形式主義において、圧力の異方性や散逸といった非平衡効果を一貫して組み込むこと。
• 初期異方性の条件を変化させた場合の集団的流れ観測量（例：$v_2$, $v_1$, HBT半径）の頑健性のテスト。
• RHICからの実験データにフィットさせることで、異方性状態の持続時間の特定。
• ブースト不変および不変な状況の両方において、モデルのソフトハドロンスペクトルおよび相関関数に対する妥当性の検証。

提案手法

• 異方性温度 $\lambda_\perp$, $\lambda_\parallel$ を持つ一般化された位相空間分布関数に基づく、非常に異方的かつ強い散逸を示す流体力学的モデルADHYDROを提案。
• 異方的および等方的領域を滑らかに接続する一般化された状態方程式を導出。これにより、連続的な等方化が可能となる。
• 運動論理論から導かれた動的なエントロピー源項を組み込み、緩和関数 $R(x)$ を用いて熱平衡化をモデル化。
• コOPER-FRYEの凍結断面からの物理的観測量抽出を実施。
• 実験データに一致させるために、1+1次元ブースト不変および3+1次元非不変の両方の設定でモデルを適用。
• 最終状態の粒子スペクトルおよび相関を計算するため、ADHYDROを統計的ハドロン化モデルTHERMINATORと組み合わせる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い初期異方性と散逸を含む流体力学的モデルが、RHICにおけるソフトハドロン観測量を正確に記述できるか？
• RQ2 集団的流れ観測量（$v_2$, $v_1$）およびHBT半径は、初期の運動量空間異方性にどれほど敏感か？
• RQ3 実験データから制約される重イオン衝突の初期段階における異方性状態の持続時間はどのくらいか？
• RQ4 モデルは観測された横方向流れの普遍性を、初期異方性にかかわらず再現できるか？
• RQ5 非ブースト不変な初期条件を組み込むと、非中心衝突の記述にどのような影響を与えるか？

主な発見

• ADHYDROモデルは、$\sqrt{s_{\rm NN}} = 200$ GeVにおけるソフトハドロン領域（$p_T < 3$ GeV）で、1粒子スペクトル、$v_2$, $v_1$, およびHBT半径をうまく再現した。
• 中央迅速度領域では、観測量が初期異方性パラメータに弱い感受性を示すことが判明し、横方向流れの普遍性を支持する。
• 実験データへのフィットから、異方性状態の持続時間が1 fmであると推定され、微視的モデルと整合的である。
• 小さな異方性の極限において、ADHYDROはアイザラエル＝シュターリング理論に還元され、標準的粘性流体力学と一貫性があることが確認された。
• ブースト不変性がなくても、モデルは実験データと良好に一致しており、非中心衝突における集団的流れの頑健性を示している。
• 運動論理論から導かれたエントロピー源項により、初期進化段階における熱平衡化ダイナミクスの自己整合的記述が可能になった。