[論文レビュー] Correlations between flow and transverse momentum in Xe+Xe and Pb+Pb collisions at the LHC with the ATLAS detector: A probe of the heavy-ion initial state and nuclear deformation

Georges Aad, Abbott, B.+2894 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ATLASデータを用いて、√𝑠NN = 5.44 TeVおよび5.02 TeVにおけるXe+XeおよびPb+Pb衝突において、流れの調和成分（𝑣𝑛）と平均横運動量（[𝑝T]）の相関を測定した。中央衝突における𝑣2–[𝑝T]相関は核の非対称性に極めて敏感であり、129Xeが回転対称性や扁平対称性を持たない三軸楕円体であるという強力な証拠を示しており、高エネルギー衝突における核の形状を新たに探る手段を提供する。

ABSTRACT

The correlations between flow harmonics vn for n=2, 3, and 4 and mean transverse momentum [pT] in Xe129+Xe129 and Pb208+Pb208 collisions at s=5.44 and 5.02 TeV, respectively, are measured using charged particles with the ATLAS detector. The correlations are potentially sensitive to the shape and size of the initial geometry, nuclear deformation, and initial momentum anisotropy. The effects from nonflow and centrality fluctuations are minimized, respectively, via a subevent cumulant method and an event-activity selection based on particle production at very forward rapidity. The vn-[pT] correlations show strong dependencies on centrality, harmonic number n, pT, and pseudorapidity range. Current models qualitatively describe the overall centrality- and system-dependent trends but fail to quantitatively reproduce all features of the data. In central collisions, where models generally show good agreement, the v2-[pT] correlations are sensitive to the triaxiality of the quadruple deformation. Comparison of the model with the Pb+Pb and Xe+Xe data confirms that the Xe129 nucleus is a highly deformed triaxial ellipsoid that has neither a prolate nor oblate shape. This provides strong evidence for a triaxial deformation of the Xe129 nucleus from high-energy heavy-ion collisions.

研究の動機と目的

• 重イオン衝突における初期状態幾何学的構造および核の非対称性に及ぼされる流れ–横運動量相関の感受性を調査すること。
• 高エネルギー衝突が、特に129Xeのような奇質量数核の核の形状を調べる手段として機能するかどうかを検証すること。
• 中央衝突における流れ調和成分と[𝑝T]の相関を用いて、129Xeの非対称パラメータ（𝛽, 𝛾）を特定すること。
• モデル予測とデータを比較し、初期状態の運動量非対称性および中央度フラクチュエーションの役割を評価すること。
• 129Xeが回転対称性や扁平対称性とは異なる三軸非対称性を示すかどうかを立証すること。

提案手法

• 𝑣𝑛–[𝑝T]相関をピアソン相関係数 𝜌𝑛 = ⟨𝑣𝑛𝛿𝑝T⟩ / √(⟨𝑣𝑛²⟩⟨𝛿𝑝T²⟩) を用いて測定し、𝛿𝑝T = 𝑝T − [𝑝T] とする。
• 非フローモードの相関を抑えるために、サブイベント累積法を適用し、測定された相関が真の動的効果を反映していることを保証する。
• 前方ラピディティにおける粒子生成に基づくイベント活動選択を用い、中央度のフラクチュエーションを最小限に抑える。
• さまざまな中央度バインとプリミティディー範囲でチャージド粒子を分析し、衝突幾何学的構造および調和数の依存性を調査する。
• 初期状態モデル（例：Glauber、CGC）および粘性流体力学モデルとデータを比較し、モデルの性能を評価する。
• 三軸性に依存するcos(3𝛾)𝛽³を含むパラメトリック形式に𝑣2–[𝑝T]相関データをフィッティングすることで、非対称性感受性を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Xe+XeおよびPb+Pb衝突における𝑣𝑛–[𝑝T]相関は、中央度、調和数𝑛、プリミティディーにどのように依存するか？
• RQ2 これらの相関は、初期状態の幾何学的構造および衝突核の核の非対称性にどの程度感受性を示すか？
• RQ3 中央Xe+Xe衝突における観測された相関は、回転対称性、扁平対称性、三軸非対称性のどの核形状を区別できるか？
• RQ4 現在の流体力学的および初期状態モデルは、測定された𝑣𝑛–[𝑝T]相関パターンを定量的に再現できるか？
• RQ5 𝑣2–[𝑝T]相関データに基づく129Xeにおける三軸非対称性の証拠は何か？

主な発見

• 中央Xe+Xe衝突における𝑣2–[𝑝T]相関は、三軸性パラメータcos(3𝛾)に強く依存しており、単純な回転対称性や扁平対称性を越えた核の形状に感受していることが示された。
• データは129Xeが回転対称性または扁平対称性を取らないことを排除し、𝛾 ≈ 30°（最大三軸性に対応）である三軸楕円体であるという強力な証拠を提供した。
• 中央Xe+Xe衝突における測定された𝑣2–[𝑝T]相関は、𝑣2,Xe/𝑣2,Pb比の増大から推定される𝛽Xe ≈ 0.16–0.2の四重極非対称パラメータと整合的である。
• 現在のモデルは相関の中央度および系の依存性を定性的に再現しているが、特に外縁領域における𝜌2の符号および大きさを定量的に記述できていない。
• 𝑣𝑛–[𝑝T]相関は中央および中中央衝突で正であり、外縁領域で負であることが判明し、初期状態幾何学的構造および半径方向の流れフラクチュエーションの予想と整合的であった。
• Pb+PbおよびXe+Xeデータの比較により、129Xeは球形ではなく、顕著な非対称性を示しており、三軸形状が支配的であることが確認された。