[論文レビュー] Hydrodynamic description of ultrarelativistic heavy-ion collisions

Peter F. Kolb, Ulrich Heinz|ArXiv.org|May 29, 2003

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 20被引用数 67

ひとこと要約

本論文は、RHICエネルギーにおける超相対論的重イオン衝突の包括的な流体力学的モデルを提示し、1.5–2 GeV/cまでの横運動量までに、単粒子スペクトルおよび楕円流動について実験データと優れた一致を示している。モデルは、急速な熱平衡化およびクォーク-グルーオンプラズマに一致する集団的挙動の強力な証拠を提供するが、2粒子運動量相関を説明できないことから、冷却終了ダイナミクスにおける未解決の問題が浮き彫りになっている。

ABSTRACT

Relativistic hydrodynamics has been extensively applied to high energy heavy-ion collisions. We review hydrodynamic calculations for Au+Au collisions at RHIC energies and provide a comprehensive comparison between the model and experimental data. The model provides a very good description of all measured momentum distributions in central and semiperipheral Au+Au collisions, including the momentum anisotropies (elliptic flow) and systematic dependencies on the hadron rest masses up to transverse momenta of about 1.5--2 GeV/c. This provides impressive evidence that the bulk of the fireball matter shows efficient thermalization and behaves hydrodynamically. At higher p_t the hydrodynamic model begins to gradually break down, following an interesting pattern which we discuss. The elliptic flow anisotropy is shown to develop early in the collision and to provide important information about the early expansion stage, pointing to the formation of a highly equilibrated quark-gluon plasma at energy densities well above the deconfinement threshold. Two-particle momentum correlations provide information about the spatial structure of the fireball (size, deformation, flow) at the end of the collision. Hydrodynamic calculations of the two-particle correlation functions do not describe the data very well. Possible origins of the discrepancies are discussed but not fully resolved, and further measurements to help clarify this situation are suggested.

研究の動機と目的

• 超相対論的重イオン衝突によって生成されるクォーク-グルーオンプラズマの集団的膨張を記述する流体力学的フレームワークを確立すること。
• 相対論的流体力学が、RHICエネルギーにおけるAu+Au衝突の運動量スペクトルおよび非等方的流動といった実験的観測量をどれほど正確に記述できるかを検証すること。
• 流体力学の成功と失敗が、火球の初期熱平衡化および状態方程式に与える含意を調査すること。
• 2粒子運動量相関（HBT半径）の乖離の原因を特定すること、特に縦方向と横方向の半径の不一致に注目すること。
• 特にU+U衝突を用いた未来の測定を通じて、楕円流動のビームエネルギー依存性を用いてクォーク-ハドロン相転移を探る提案を行うこと。

提案手法

• エネルギー運動量および保存量の保存則に基づく相対論的流体力学を定式化し、格子QCDと物性的制約から導かれた核状態方程式を用いる。
• 核の重なりと初期エネルギー密度をGlauberモデルに基づいて初期条件とし、1 fm/c以内に局所的熱平衡を仮定する。
• 中央迅速度領域における力学を簡略化するため、縦方向のブースト不変近似を適用する。
• 冷却終了時に流体力学的記述から運動論的記述への切り替え手順を実装し、物性的脱結合温度として約100–120 MeVを仮定する。
• コペル＝フライ凍結処理を用いて、単粒子スペクトル、平均横運動量、および楕円流動（v2）といった運動量空間の観測量を計算する。
• 2粒子相関関数（HBT半径）を流体力学的源関数から計算し、干渉測定データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的流体力学は、RHICにおける中心的および非中心的Au+Au衝突の運動量分布および非等方的流動をどの程度定量的に記述できるか？
• RQ2 楕円流動の記述に成功した流体力学が、熱平衡化時間および火球の状態方程式について何を示唆するか？
• RQ3 なぜ流体力学的計算は測定されたHBT半径を再現できないのか、特に縦方向と横方向の半径の不一致について？
• RQ4 HBT干渉測定によって調べられる冷却終了時の火球の空間的構造は、流体力学的予測とどのように比較できるか？
• RQ5 U+U衝突における楕円流動のビームエネルギー依存性は、クォーク-ハドロン相転移の兆候として機能できるか？

主な発見

• 流体力学的モデルは、1.5–2 GeV/cまでの横運動量までに、Au+Au衝突における単粒子スペクトルおよび楕円流動（v2）を驚くほど正確に記述している。
• モデルは、楕円流動が早期に発生し、初期の空間的非等方性および初期段階の力学に敏感であると予測しており、強い相互作用的で均衡したクォーク-グルーオンプラズマの形成を支持している。
• 流体力学的モデルは2粒子運動量相関を再現できない。実験的に両者がほぼ同等であるのに対し、モデルは縦方向HBT半径を過剰に予測し、横方向半径を過小に予測している。
• モデルは、外向きHBT半径が横方向半径よりも大きいと予測しているが、実験データは両者がほぼ同等であることを示しており、これとは矛盾している。
• 擬似迅速度 |η| > 1 における楕円流動の低下は、流体力学的モデルでは再現されておらず、モデルの前方迅速度領域における適用限界を示唆している。
• 発光角度依存HBTの予備データは、RHICにおいて冷却終了源が反応平面に垂直にわずかに引き伸ばされていることを確認しており、流体力学的予測と整合的である。