[論文レビュー] Event-by-event fluctuations in heavy ion collisions

Michael Doering, Volker Koch|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2002

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、陽イオンと陰イオンの粒子数比におけるイベントごとのフラクチュエーションが、相対論的重イオン衝突におけるクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）の特徴的なサインとして提案されている。$\tilde{D}$ という観測量を用いた電荷フラクチュエーションの分析により、$\tilde{D} \approx 1$ である場合、分数的クォーク電荷に起因してQGP形成が示唆され、$\tilde{D} \approx 3$ である場合はハドロン相を示唆する。STAR、CERES、NA49の初期データでは $\tilde{D} \approx 4$ が得られており、期待される値を上回っており、QGPの信号が強いかつ多数体効果によって隠蔽されている可能性を示唆している。

ABSTRACT

We discuss the physics underlying event-by-event fluctuations in relativistic heavy ion collisions. We will argue that the fluctuations of the ratio of positively over negatively charged particles may serve as a unique signature for the Quark Gluon Plasma.

研究の動機と目的

• 相対論的重イオン衝突におけるクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）を感受する強固な実験的観測量を同定すること。
• イベントごとの粒子比における統計的、体積的、ダイナミカルなフラクチュエーションを区別すること。
• パイ粒子比 $\pi^+ / \pi^-$ のフラクチュエーションがハドロン共鳴状態に敏感であり、化学的凍結条件を調べられることを示すこと。
• 特に $\rho$-メソン交換による相互作用が電荷フラクチュエーションに与える影響と、QGP相との関係を評価すること。
• 観測量 $\tilde{D}$（イベントごとのフラクチュエーションと平衡統計的フラクチュエーションの比）が、QGPとハドロン物質を区別できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 著者らは、熱力学的応答と関連付けるために電荷感受率 $\chi_Q = -T \partial^2 F / \partial \mu_Q^2$ を用い、これと電流-電流相関関数 $\Pi_{00}(\omega=0, \vec{k} \to 0)$ を結びつける。
• 観測量 $\tilde{D} = \langle (\delta R_{+,-})^2 \rangle / \langle R_{+,-}^2 \rangle \cdot \langle R_{+,-} \rangle^2 / \langle (\delta N_+)^2 \rangle_{\text{stat}}$ を定義し、$\pi^+ / \pi^-$ 比における統計的フラクチュエーションからの逸脱を定量化する。
• パイオンの相互作用をモデル化するため、$\rho$-メソン交換を含む有効場理論を用い、有効ラグランジアンを用いて $\Pi_{00}$ と有限温度におけるエントロピーの補正を計算する。
• 二ループ図を計算して、電磁気的電流-電流相関関数 $\Pi^{00}$ の補正を評価し、$\Pi^{00}(T)/S(T)$ の比を分析することで、相互作用効果を評価する。
• 自由粒子系と相互作用系の結果を比較し、特に $T \approx 140$ MeV の近辺で、相互作用がエントロピー当たりの電荷フラクチュエーションを増加させることを示す。
• 共鳴状態（例：$\rho_0$, $\omega$）が $\pi^+\pi^-$ 衰え経路を通じて $\tilde{D}$ を約30%低減させることを示し、熱的モデルの整合性を検証するためのテストを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イベントごとの $\pi^+ / \pi^-$ 比のフラクチュエーションは、クォーク-グルーオンプラズマの特徴的なサインとして機能するか？
• RQ2 ハドロン共鳴状態と量子統計が粒子比のフラクチュエーションに与える影響は何か。また、これらは統計的フラクチュエーションから分離可能か？
• RQ3 特に $\rho$-メソン交換による相互作用が、電荷フラクチュエーションと観測量 $\tilde{D}$ をどの程度変化させるか？
• RQ4 STAR、CERES、NA49の実験結果が $\tilde{D} \approx 4$ を示すのはなぜか。これはハドロン物質の期待値 $\tilde{D} \approx 3$ を大きく上回っている。
• RQ5 観測された $\tilde{D} \approx 4$ と理論的期待値との乖離は、強いかつ多数体効果、または共鳴相互作用の不完全なモデル化によって説明可能か？

主な発見

• 分数的クォーク電荷に起因して、クォーク-グルーオンプラズマでは、$\tilde{D}$ が $\tilde{D} \approx 1$ になると予測される。
• ハドロン相では、$\rho_0$ および $\omega$ メソンの崩壊により $\tilde{D}$ は $\tilde{D} \approx 0.7$ に低下し、相関効果の約50%を占める。
• STAR、CERES、NA49の初期実験データでは $\tilde{D} \approx 4$ が得られており、ハドロン物質の期待値 $\tilde{D} \approx 3$ よりも顕著に大きい。これは、QGPの信号が強いかつ多数体効果によって隠蔽されている可能性を示唆している。
• $\rho$-メソン交換による相互作用は、エントロピー当たりの電荷フラクチュエーションを増加させ、$\Pi^{00}(T)/S(T)$ の補正は $T \approx 140$ MeV の近辺で大きな値を示し、非自明な多数体効果を示している。
• 共鳴状態の取り入れにより、純粋な統計的フラクチュエーションと比較して $\tilde{D}$ は約30%低減され、二重子放射線測定とは補完的なプローブを提供する。
• 観測された $\tilde{D} \approx 4$ と理論的期待値との乖離は、$\rho$-メソンの幅や高次の相互作用をモデルに組み込む必要があることを示唆している。