[論文レビュー] Comparing the Tsallis distribution with and without thermodynamical description in p+p collisions

H. Zheng, Lilin Zhu|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2015

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 24被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、RHICおよびLHCにおけるp+p衝突からの横運動量スペクトルのフィッティングにおいて、熱力学的記述を含む・含まない2種類のTsallis分布を比較している。熱力学的に整合性のあるバージョンでは、追加の$m_T$項のおかげで温度が低くなることが判明した。この項が差異を支配しており、特に軽い粒子において顕著である。重い粒子では、$m_T$と$E_T$の選択が温度決定においてより重要になる。

ABSTRACT

We compare two types of Tsallis distribution, i.e., with and without thermodynamical description, using the experimental data from the STAR, PHENIX, ALICE and CMS Collaborations on the rapidity and energy dependence of the transverse momentum spectra in p+p collisions. Both of them can give us the similar fitting power to the particle spectra. We show that the Tsallis distribution with thermodynamical description gives lower temperatures than the ones without it. The extra factor $m_T$ (transverse mass) in the Tsallis distribution with thermodynamical description plays an important role in the discrepancies between the two types of Tsallis distribution. But for the heavy particles, the choice to use the $m_T$ or $E_T$ (transverse energy) in the Tsallis distribution becomes more crucial.

研究の動機と目的

• 高エネルギーp+p衝突における広く用いられている2種類のTsallis分布の間で生じるフィット温度の差異を解消すること。
• 温度差に寄与する横運動量$m_T$と指数関数的パラメータ$q$の役割を調査すること。
• 熱力学的整合性が現象的フィッティングの品質およびパrameter解釈に与える影響を評価すること。
• 実験的粒子スペクトル解析に用いられるTsallis分布における温度パラメータの物理的意味を明確化すること。
• 粒子質量が温度フィットに対する分布形の感度に与える影響を評価すること。

提案手法

• タイプA（熱力学的記述なし）、タイプB（熱力学的記述あり）、およびそれらをつなぐ3種類の過渡的形態を含む、5種類のTsallis分布バージョンを比較する。
• STAR、PHENIX、ALICE、CMS共同研究の実験的$p_T$スペクトルを、複数のセンター・オブ・マスエネルギーで適用する。
• フィッティングに$form $E\frac{d^3N}{dp^3} = A(1 + \frac{E_T}{nT})^{-n}$を用い、$E_T = m_T - m$とし、$A$、$n$、$T$を自由パラメータとする。
• フィッティングの品質を評価し、各分布タイプの温度パラメータ$T_i$を抽出するために$χ^2$/ndfの最小化を実施する。
• 温度$T_i$が衝突エネルギー$\sqrt{s}$および粒子種別（パイオン、カイオン、プロトン）にどのように依存するかを分析する。
• 中間的分布形を用いて、$m_T$項と指数$q$の寄与を分離し、それぞれの影響を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ$p_T$スペクトルにフィットするにあたり、熱力学的記述を含む・含まないTsallis分布が顕著に異なる温度パラメータをもたらすのはなぜか？
• RQ2 分布関数に横運動量$m_T$を含めることで、抽出される温度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 温度差に及ぼす指数関数的パラメータ$q$と$m_T$項の相対的影響は何か？
• RQ4 粒子質量が増加するに従い、温度フィットの分布形への感受性は高まるか？
• RQ5 p+p衝突における粒子スペクトルの記述において、どの分布形がより物理的に整合性のある記述を提供するか？

主な発見

• タイプA、タイプB、および3種類の過渡的形態を含む5種類のTsallis分布すべてが、$\chi^2$/ndfが互いに1%以内に収まる同等のフィッティング性能を示した。
• 熱力学的に整合性のあるTsallis分布（タイプB）は、熱力学的記述なしのもの（タイプA）よりも顕著に低い温度を示した。例えばパイオンでは$T_1 \approx 0.075$ GeV vs. $T_5 \approx 0.13$ GeVである。
• 熱力学的に整合性のある分布に含まれる追加の$m_T$項が、特に軽い粒子（パイオンなど）において温度差の主な原因である。
• 重い粒子（カイオンおよびプロトン）では、分布関数に$m_T$を用いるか$E_T$を用いるかの選択がより重要になり、この効果により$T_5$（タイプA）が$T_3$（$m_T$を含む過渡的形態）よりも高くなる。
• 熱力学的に整合性のある形における指数$q$は、$q$依存性のない類似形態と比較して、フィット温度を上昇させるが、この効果は$m_T$項に押されてしまう。
• すべての分布において、温度$T$は$\sqrt{s}$の増加に従って低下するが、エネルギー間で$T_i$の相対的順序は一貫している。