[論文レビュー] Initial state geometry and fluctuations in Au+Au, Cu+Au and U+U collisions at RHIC

Bjoern Schenke, Prithwish Tribedy+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、RHICにおけるCu+Au、Au+Au、U+U衝突において、IP-Glasmaモデルと二成分MC-Glauberモデルを用いて、初期状態の幾何学的構造と揺らぎを比較した。その結果、全参加者ペアあたりの多重度はあらゆる系で類似しているが、楕円歪度は特に中央付近の衝突で顕著に異なることが判明した。また、イベントごとの歪度分布は、Cu+AuにおいてはAu+Au や U+U よりも広がっている。主な発見は、超中央衝突におけるU+UおよびAu+Au衝突において、多重度と歪度の相関がモデルに強く依存しており、IP-Glasmaは弱い反相関を予測する一方、MC-Glauberは強い相関を示す。これは、粒子生成メカニズムを実験的に区別する明確な指標を提供する。

ABSTRACT

We study within the IP-Glasma and two-component MC-Glauber models the effects of initial state geometry and fluctuations on multiplicities and eccentricities for several collision species at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). These include copper-gold (Cu+Au), gold-gold (Au+Au), and uranium-uranium (U+U) collisions. The multiplicity densities per participant pair are very similar in all systems studied. Ellipticities vary strongly between collision systems, most significantly for central collisions, while fluctuation driven odd moments vary little between systems. Event-by-event distributions of eccentricities in mid-central collisions are wider in Cu+Au relative to Au+Au and U+U systems. An anti-correlation between multiplicity and eccentricity is observed in ultra central U+U collisions which is weaker in the IP-Glasma model than the two-component MC-Glauber model. In ultra central Au+Au collisions the two models predict opposite signs for the slope of this correlation. Measurements of elliptic flow as a function of multiplicity in such central events can therefore be used to discriminate between models with qualitatively different particle production mechanisms.

研究の動機と目的

• RHICにおける多様な重イオン衝突系における初期状態の幾何学的構造と揺らぎが、多重度および歪度分布に与える影響を調査すること。
• IP-Glasmaモデル（カラー・グレース・コンデンゲートフレームワークに基づく）と二成分MC-Glauberモデルの予測を、Cu+Au、Au+Au、U+U衝突について比較すること。
• 衝突幾何学的構造と核の非球面性が、イベントごとの歪度分布および多重度-歪度相関に与える感度を評価すること。
• IP-Glasmaと顕在的モデル（例：MC-Glauber）の粒子生成メカニズムを区別するための観測可能なシグネチャー（特に超中央衝突において）を同定すること。
• U+U衝突における核の非球面性の役割、特に初期エネルギー密度の増幅および異方的流れ・多重度相関の調節に与える影響を評価すること。

提案手法

• IP-Sat双極子モデルによる不均一なグルーオン分布と、Glasma場の古典的ヤン・ミルズ力学を組み合わせたIP-Glasmaモデルを用い、3次元幾何学における初期状態の揺らぎをシミュレートする。
• 負の二項分布を用いた多重度揺らぎを組み込んだ二成分MC-Glauberモデルを用い、二体衝突と参加者数をモデル化し、$N_{\rm coll}$-依存の多重度を含む。
• Au+Auでは $\sqrt{s_{NN}} = 200$ GeV、U+Uでは $193$ GeV、Cu+Auでは $200$ GeV で衝突をシミュレートし、U+Uではランダムおよびティップ-ティップ配置を含めた。
• 中央度 $n=2,3,4,5$ のイベントごとの歪度 $\varepsilon_n$ の分布を計算し、中央度および衝突系に依存する依存関係を分析する。
• 両モデルにおける超中央イベント（0–1% 中央度）において、多重度 ($dN_{\rm ch}/d\eta$) と楕円歪度 ($\varepsilon_2$) の相関を計算する。
• 特に中央衝突および超中央衝突における多重度-歪度相関の傾きに注目し、系およびモデル間で結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RHICにおけるCu+Au、Au+Au、U+U衝突において、初期状態の幾何学的構造と揺らぎは、多重度および歪度分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 イベントごとの歪度分布を形作る要因として、幾何的揺らぎ、衝突パラメータ、核の非球面性の相対的な重要性は何か？
• RQ3 超中央衝突におけるIP-Glasmaと二成分MC-Glauberモデルの多重度-歪度相関予測に、どのような相違が生じるか？
• RQ4 フラクチュエーション駆動の奇数モード（$\varepsilon_3$, $\varepsilon_5$）は、異なる衝突系でどの程度変化するか？
• RQ5 超中央U+UおよびAu+Au衝突における多重度-歪度相関の実験的測定は、IP-Glasmaのようなab initio粒子生成メカニズムとMC-Glauberのような顕在的モデルを区別できるか？

主な発見

• 両モデルにおいて、Cu+Au、Au+Au、U+U衝突の全参加者ペアあたりの多重度密度は非常に類似しており、参加者あたりの粒子生成が普遍的スケーリングに従うことを示している。
• 楕円歪度（$\varepsilon_2$）は系ごとに顕著に異なる。特に、幾何的平均化のため、Cu+Auでは $dN_{\rm ch}/d\eta$ が低い領域で $\varepsilon_2$ がAu+Au や U+U よりも急激に低下する。
• 中中央衝突（20–30%）において、イベントごとの $\varepsilon_2$ 分布はCu+AuにおいてAu+Au や U+U よりも広がっており、幾何的揺らぎの多様性が大きいことを示している。
• 超中央U+U衝突において、IP-GlasmaモデルはMC-Glauberモデルに比べて多重度と $\varepsilon_2$ の反相関が著しく弱い予測をしている。これは、IP-Glasmaに明示的な $N_{\rm coll}$ 依存性がないためである。
• 0–1% Au+Au衝突において、両モデルは多重度-$\varepsilon_2$ 相関の符号を逆転させている：MC-Glauberでは正の相関、IP-Glasmaでは弱い反相関。これは明確な実験的区別指標を提供する。
• フラクチュエーション駆動の奇数モード（$\varepsilon_3$, $\varepsilon_5$）は系ごとによく似ており、$\varepsilon_4$ は衝突核にほとんど依存しない。これは偶数モードと奇数モードの歪度に異なる起源があることを示唆している。