[論文レビュー] Exploring the properties of the phases of QCD matter - research opportunities and priorities for the next decade

Ulrich Heinz, P. Sørensen+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2015

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 244被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、量子色力学（QCD）分野における次世代の研究計画を包括的に提言し、QCD相図の探索完了とクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）のプローブとしてのジェットの利用を強調している。RHICに新規ジェット検出器（sPHENIX）を設置する、米国がLHC重イオンプログラムに継続的に参加する、および高出力で偏光可能な電子-陽イオン衝突型加速器（EIC）を建設するよう提言している。これにより、グルーオンのダイナミクスとハドロン構造を、未曾有の精度で解明できるようになる。

ABSTRACT

This document provides a summary of the discussions during the recent joint QCD Town Meeting at Temple University of the status of and future plans for the research program of the relativistic heavy-ion community. A list of compelling questions is formulated, and a number of recommendations outlining the greatest research opportunities and detailing the research priorities of the heavy-ion community, voted on and unanimously approved at the Town Meeting, are presented. They are supported by a broad discussion of the underlying physics and its relation to other subfields. Areas of overlapping interests with the "QCD and Hadron Structure" ("cold QCD") subcommunity, in particular the recommendation for the future construction of an Electron-Ion Collider, are emphasized. The agenda of activities of the "hot QCD" subcommunity at the Town Meeting is attached.

研究の動機と目的

• 高温QCDコミュニティがクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）およびその相構造を研究するにあたり、次世代の研究優先順位を定義すること。
• 特に臨界点の位置と性質について未解決の問いに答えること。
• さまざまなエネルギーおよび密度スケールにおいて、QGPの輸送特性と集団的挙動の高精度測定を可能にすること。
• 電子-イオン衝突型加速器（EIC）を、グルーオン支配の物質およびハドロン化ダイナミクスを調べる中心施設として確立すること。
• QCD物質の構造を『高温』および『低温』QCDの両視点から完全に理解するための理論的枠組みと実験的能力を強化すること。

提案手法

• RHICの性能向上、特にsPHENIXジェット検出器と出力強度の向上を活用し、低エネルギー領域でのQGPの研究と相転移境界付近の輸送特性の探査を行う。
• LHC重イオンプログラムにおける米国の強力な参加を維持し、高エネルギー・高密度領域でのQGP特性の測定を拡張する。
• ジェット、ボトムオニア、偏光したp+A衝突を用いたマルチスケール実験プログラムを実施し、さまざまな長さスケールおよびエネルギースケールでQGPを調べる。
• ブルーク・ニューヨーク（BNL）の既存施設（eRHIC）またはジェームズ・ランプソン・ラボラトリー（JLab）のMEICを活用し、偏光可能で高出力の電子-イオン衝突型加速器（EIC）の建設を推進する。
• 格子QCD、有効場理論、運動論モデルの理論的進展を統合し、実験データの解釈と今後の実験の指針とすること。
• EICの特異的機能を活かし、半包含的深エネルギー散乱（SIDIS）およびドレッシング過程の測定を通じて、グルーオン場の飽和および核物質内でのパートオン相互作用のクォーク質量依存性にアクセスすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD相図における臨界点はどこにあり、その普遍的スケーリング性質は何か？
• RQ2 特に相転移境界付近において、せん断粘性係数や電気伝導度といった輸送特性は、QCD相図全体でどのように変化するか？
• RQ3 クォーク-グルーオンプラズマの近似的に完璧な流動性の微視的起源は何か。ジェットや重クォークを用いたプローブはどのように可能か？
• RQ4 高エネルギー核における飽和グルーオン場は、パートオンエネルギー損失およびハドロン化ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 核物質内でのパートオン相互作用のクォーク質量依存性は何か。電子-核衝突でどのように測定可能か？

主な発見

• 重イオン衝突で生成されたクォーク-グルーオンプラズマは、量子的下限に近い剪断粘性係数とエントロピー密度比を示し、知られている中で最も完璧な流体である。
• 格子QCDの計算とRHICおよびLHCからの実験データが一致し、バリオン化学ポテンシャルがゼロの状態で滑らかな連続的転移を示す一貫した状態方程式が得られている。
• EICは10^33–10^34 cm⁻²s⁻¹の出力強度に達すると予想され、パートオン分布およびグルーオン飽和効果の高精度測定が可能になる。
• EICは、ドレッシングおよび半包含的断面積測定を通じて、高エネルギー電子-陽イオン衝突において色 singlet で飽和したグルーオン物質状態の形成を初めて直接的証明する。
• e+pおよびe+Au衝突におけるパイオンおよびD⁰メソン生成の測定により、核物質内でのパートオンエネルギー損失およびハドロン化のクォーク質量依存性が明らかになる。
• EICは、核内のグルーオンの空間的および運動量的分布を初めて直接的にイメージング可能となり、密度の高い物質内でのパートオン進化を支配する「フェムトメーター・フィルター」の構造をマッピングする。