[論文レビュー] Initial state in heavy ion collisions

T. Lappi|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2015

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 33被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、重イオン衝突の初期状態をモデル化する弱結合QCD（QCD）フレームワークを提案し、現象的Glauberモデルに代わる動的計算によるグルーオンの飽和と色場構造の解明を進める。長距離の方位角相関が、初期状態の色場ドメインによって駆動されることを示し、これは最終状態の集団的流れ効果とは明確に異なる初期状態の直接的実験的プローブである。

ABSTRACT

We briefly review advances in understanding the initial stages of a heavy ion collision. In particular the focus is on moving from parametrizing the initial state to calculating its properties from QCD, consistently with the description of hard probes and dilute-dense scattering experiments. Modeling the event-by-event fluctuating nuclear geometry in initial state calculations has significantly improved in recent years. We also discuss prospects of directly seeing effects of particle correlations created in the initial state in the experimental observables.

研究の動機と目的

• 弱結合QCDに基づく一貫性のある初期状態の動的記述を確立し、パラメータ化された幾何的モデルに代わるものとする。
• 初期状態モデルが、ディープインエラスティック散乱（DIS）や将来の電子-イオン衝突加速器（EIC）測定を含む、希薄-稠密散乱実験と整合するように保証する。
• 初期状態の直接的実験的シグナル、特に色場ドメイン構造に起因する長距離のラピディティ相関を特定・特徴付ける。
• 初期状態の相関と最終状態の集団的流れ効果を、相関が強化されている小スケール衝突系において区別する。

提案手法

• 高エネルギーのパートンが核に与える古典的ヤン・ミルズ（CYM）場として初期状態をモデル化するため、カラーレイクスコンデンエート（CGC）フレームワークを用いる。
• 走る結合定数を用いたバリツキー＝コフチェゴの（rcBK）方程式とウィルソン線積分相関関数を用い、初期色場構造とDIS断面積との関係を計算する。
• IP-glasmaフレームワークを用いて、核の幾何的フラクチュエーションと飽和スケール $Q_s$ のイベントごとの変動を初期状態に組み込む。
• 『Glasmaグラフ』および『色場ドメインモデル』の手法を用い、標的にする電荷密度に対して線形化し、ガウス的または非ガウス的ドメイン相関を仮定して方位角相関を分析する。
• 初期状態におけるプリ・平衡集団的効果と非ガウス的相関を含むために、完全な非線形CYMシミュレーションを実施する。
• 小スケール系におけるラピディティ相関に注目し、$v_n$係数と粒子スペクトルの実験データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱結合QCDにおいて、Glauber型モデルに代わるパラメータ化なしに、重イオン衝突の初期状態を第一原理からどのように計算できるか？
• RQ2 ディープインエラスティック散乱（DIS）のような希薄-稠密散乱実験が、初期状態構造をどの程度制限し、理論的モデルを検証できるか？
• RQ3 サイズ $\sim 1/Q_s^2$ の色場ドメインが、小スケール系における直接的で初期状態由来の方位角相関をどのように生成するか？
• RQ4 長距離のラピディティ相関において、初期状態の相関と最終状態の集団的流れ効果をどのように区別できるか？
• RQ5 初期状態における非ガウス的相関と非線形ダイナミクスが、観測可能な粒子運動量分布に及ぼす定量的影響は何か？

主な発見

• 高エネルギーの重イオン衝突における初期状態は、定常な発生確率 $\alpha_s \, dx/x$ に起因するグルーオンカスケードに支配され、ラピディティパラレル形成が生じ、多重度スケーリング $\sim \sqrt{s}^{\alpha_s}$ を示す。
• LHCエネルギーにおいて飽和スケール $Q_s \gg \Lambda_{\text{QCD}}$ であるため、弱結合だが非摂動的状態となり、初期グルーオン場は大きな占有数 $f(k) \sim 1/\alpha_s \gg 1$ を持つ古典的ヤン・ミルズ場で記述可能である。
• グルーオン散乱と位相空間占有数の減少により、熱化と等方化が進行し、実際の $\alpha_s$ 値において、わずか1 fm程度で粘性流体力学に滑らかに接続される運動論理論が成立する。
• 小スケール系における初期状態の方位角相関は、$\sim 1/(N_c^2 Q_s^2 S_\perp)$ のオーダーで強化され、同じ色場ドメイン内に存在するパートンの相関した偏移に起因し、最終状態の流れとは明確に異なる直接的シグナルを提供する。
• 『Glasmaグラフ』および『色場ドメインモデル』フレームワークを用いた計算から、非ガウス的相関と非線形ダイナミクスが $v_n$ 係数の大きさと構造に顕著な影響を与えることが示された。
• 完全なCYMシミュレーションにより、プリ・平衡集団的効果が方位角非対称性に寄与することが確認され、最近の提案では、大スケールのラピディティ領域 $\Delta y \gtrsim 1/\alpha_s$ へのフレームワークの拡張がなされている。