[論文レビュー] Harmonic flow correlations in Au+Au reactions at 1.23 AGeV: A new testing ground for the Equation-of-State and expansion geometry

Tom Reichert, Jan Steinheimer+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 48被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、1.23 AGeVにおける半外的Au+Au衝突における調和的流れ相関（v1–v4）を、UrQMD輸送モデルを用いて調査した。中間ラピディティにおける楕円流れ（v2）で選別した際、流れ調和成分同士に強いイベントごとの相関が示された。主な発見として、ラピディティにわたる三角流れ（v3）の符号反転と四角流れ（v4）の形状反転が観察され、v3 ∝ v1v2およびv4 ∝ v2²のスケーリング則がすべてのイベントクラスで成り立つことが判明し、低エネルギー領域における核物質状態方程式（EoS）を制約するための新しい感受性の高いプローブを提供した。

ABSTRACT

Correlations between the harmonic flow coefficients $v_1$, $v_2$, $v_3$ and $v_4$ of nucleons in semi-peripheral Au+Au collisions at a beam energy of 1.23~AGeV are investigated within the hadronic transport approach Ultra-relativistic Quantum Molecular Dynamics (UrQMD). In contrast to ultra-relativistic collision energies (where the flow coefficients are evaluated with respect to the respective event plane), we predict strong correlations between the flow harmonics with respect to the reaction plane. Based on an event-by-event selection of the midrapidity final state elliptic flow of protons we show that as a function of rapidity, I) the sign of the triangular flow changes, II) that the shape of $v_4$ changes from convex to concave, and III) that $v_3\propto v_1v_2$ and $v_4\propto v_2^2$ for all different event classes, indicating strong correlations between all investigated harmonic flow coefficients.

研究の動機と目的

• 低エネルギー重イオン衝突における調和的流れ相関（v1–v4）を、核物質状態方程式（EoS）および膨張幾何学的構造を新たに探るためのプローブとして調査すること。
• 最終状態の楕円流れ（v2）のイベントごとのフラクチュエーションに依存する流れ調和成分の依存性を、イベントクラス選別をトリガーとして調査すること。
• 特にスケーリング則や曲率の変化といった流れ相関のパターンが、ハドロン相におけるEoSの感受性指標として有効であるかどうかを検証すること。
• GSIにおけるHADES実験が低ビームエネルギーで反応平面を基準に流れ調和成分を測定するのを支援する、検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• 1.23 AGeVにおける20–30%の外的Au+Au衝突をシミュレートするために、超相対論的量子分子動力学（UrQMD v3.5）輸送モデルを用いた。
• 中間ラピディティにおける最終状態v2に基づくイベントごとの選別を用い、ラピディティ依存の流れ解析を可能にするイベントクラスを定義した。
• 反応平面（ΨRP = 0）を用いて流れ係数vnを抽出した。vn = ⟨cos(n(φ − ΨRP))⟩とし、HADES実験手法と整合した。
• 相関関数の解析にはピアソン相関係数を用い、corr(vn, vm) = [⟨vnvm⟩ − ⟨vn⟩⟨vm⟩] / (σvnσvm)とし、調和成分間の線形依存性を定量化した。
• EoS感受性を評価するために、硬い、柔らかい、およびカスケード（確率的）モードの3種類のEoSバリエーションを比較した。
• v1、v2、v3、v4のラピディティにわたる進化を調査し、v3およびv4の符号反転と形状反転を確認した。また、v3 ∝ v1v2およびv4 ∝ v2²のスケーリング則の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イベントが最終状態の楕円流れ（v2）で選別された場合、調和的流れ係数v1からv4はラピディティにどのように変化するか？
• RQ2 v3 ∝ v1v2およびv4 ∝ v2²のスケーリング則は、v2で定義された異なるイベントクラスでも成り立つか？また、それらの堅牢性はいかがなものか？
• RQ3 中間ラピディティ領域における核物質状態方程式（EoS）の影響を受けるv4の曲率とv3の勾配は、それぞれどのように変化するか？
• RQ4 ラピディティにわたるv3の符号反転とv4の形状反転は、低エネルギー領域におけるEoSを感受するための感受性の高いプローブとして有効か？
• RQ5 ピアソン相関係数による流れ調和成分間の相関は、1.23 AGeVにおける半外的Au+Au衝突で、EoS依存のダイナミクスをどの程度反映しているか？

主な発見

• イベントが最終状態のv2で選別された際、三角流れ（v3）は負のラピディティから正のラピディティにかけて符号が反転し、方向的放射の向きの反転を示している。
• 同じイベントクラス選別において、ラピディティが負から正に増加するに従い、四角流れ（v4）の形状が凹型から凸型に変化し、非単調な進化が明らかになった。
• v3 ∝ v1v2のスケーリング則は、すべてのv2イベントクラスで高い精度で成り立ち、一次、二次、三次流れの間の強い非線形相関を示している。
• すべてのイベントクラスにおいて、中間ラピディティ（ycm ≈ 0）でv4 ∝ 0.5v2²のスケーリングが成立し、低エネルギー領域における理想流体的スケーリングの確認がされた。
• v2とv4のピアソン相関係数は最大で-0.06にとどまり、線形依存性は弱いが、v4の曲率とv3の勾配はEoSに対して強く感受性を示している。
• 選別されたv2の関数としてのv4の曲率とv3の勾配は、EoSに依存した明確な特徴を示しており、EoSが硬いほど相関が強くなる。このため、核物質状態方程式を制約する感受性の高いプローブとして有効である。