[論文レビュー] Directed and elliptic flow in heavy ion collisions at GSI-FAIR and CERN-SPS

Hannah Petersen, Qingfeng Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2006

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、CERN-SPSにおけるPb+Pb衝突において、UrQMD輸送モデルを用いて、10A GeV未満では核力が不可欠である一方、40A GeV以上ではUrQMDが$v_2$を低く見積もっており、プロトンの$v_1$における負の速さ依存性（"反流れ"）を再現できないことから、40A GeV付近でクォーク-グルーオンプラズマ相転移が起こっている可能性が示唆される。

ABSTRACT

Recent data from the NA49 experiment on directed and elliptic flow for Pb+Pb reactions at CERN-SPS are compared to calculations with a hadron-string transport model, the Ultra-relativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD) model. The rapidity and transverse momentum dependence of the directed and elliptic flow, i.e. $v_1$ and $v_2$, are investigated. The flow results are compared to data at three different centrality bins. Generally, a reasonable agreement between the data and the calculations is found. Furthermore, the energy excitation functions of $v_1$ and $v_2$ from $E_{\ m beam}=90A$ MeV to $E_{\ m cm}=200A$ GeV are explored within the UrQMD framework and discussed in the context of the available data. It is found that, in the energy regime below $E_{\ m beam}\\leq 10A$ GeV, the inclusion of nuclear potentials is necessary to describe the data. Above $40A$ GeV beam energy, the UrQMD model starts to underestimate the elliptic flow. Around the same energy the slope of the rapidity spectra of the proton directed flow develops negative values. This effect is known as the third flow component ("antiflow") and cannot be reproduced by the transport model. These differences can possibly be explained by assuming a phase transition from hadron gas to quark gluon plasma at about $40A$ GeV.

研究の動機と目的

• SPSエネルギーにおける重イオン衝突における直接的および楕円的流れのエネルギー依存性と中央度依存性を理解すること。
• UrQMD輸送モデルが広いエネルギー範囲で$v_1$および$v_2$を記述する予測能力を検証すること。
• モデル予測と実験データとの乖離を特定し、クォーク-グルーオンプラズマへの相転移の兆候となる可能性を同定すること。
• 低エネルギーでの流れのデータを再現するにあたり、核力の役割を特定すること。

提案手法

• 90A MeVから200A GeVのビームエネルギーにおけるPb+Pb衝突を、超相対論的量子分子動力学（UrQMD）輸送モデルを用いてシミュレーションする。
• 3つの中央度バインにわたり、シミュレートされた$v_1$および$v_2$値をNA49実験データと比較する。
• モデルの性能を評価するために、$v_1$および$v_2$の速さおよび横運動量依存性を分析する。
• モデル予測からの逸脱を特定するために、$v_1$および$v_2$のエネルギー励起関数を検討する。
• 低ビームエネルギーにおけるUrQMDに核力を組み込む影響を評価する。
• プロトンの$v_1$における負の速さ勾配の出現を「反流れ」としての兆候として調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 UrQMDモデルは、SPSエネルギーにおけるPb+Pb衝突のさまざまな中央度で、直接的および楕円的流れをどの程度よく再現できるか？
• RQ2 10A GeV未満のビームエネルギーにおける流れの観測量を正確にモデル化するにあたり、核力の役割は何か？
• RQ3 どのビームエネルギーで、UrQMDモデルが楕円的流れ（$v_2$）を体系的に低く見積もるようになるか？
• RQ4 40A GeV以上でプロトンの直接的流れ（$v_1$）の速さスペクトルに負の勾配（反流れ）が現れる理由は何か？この現象はUrQMDモデルで説明可能か？
• RQ5 40A GeV付近で観測された流れの行動の乖離は、クォーク-グルーオンプラズマへの相転移を示唆する可能性があるか？

主な発見

• 10A GeV以上のビームエネルギーでは、特に中程度中央度の衝突において、UrQMDは$v_1$および$v_2$の実験データを合理的に再現している。
• 10A GeV未満のビームエネルギーでは、UrQMDに核力を組み込むことが、実験的流れデータを記述するために不可欠である。
• 40A GeV以上のビームエネルギーでは、UrQMDモデルが測定された楕円的流れ（$v_2$）を体系的に低く見積もっている。
• 40A GeV以上のエネルギーで、プロトンの直接的流れ（$v_1$）の速さスペクトルに負の勾配が現れ、これは「反流れ」の存在を示している。
• UrQMD輸送モデルは反流れ効果を再現できないため、このエネルギー領域でハドロン記述の破綻が示唆される。
• 40A GeV付近での観測された乖離は、ハドロンガスからクォーク-グルーオンプラズマへの相転移の可能性を示唆する証拠と解釈される。