[論文レビュー] Intensity interferometry of direct photons emitted in Au+Au collisions

Steffen A. Bass, Berndt Müller+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2004

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、√sNN = 200 GeVにおける中央部のAu+Au衝突において、一部子カスケードモデル（PCM）による非平衡期の光子発生と、クォーク- gluonプラズマ（QGP）およびハドロンガスからの熱的光子発生をモデル化する理想流体力学を組み合わせたハイブリッドモデルを用いて、二光子運動量相関を調査している。高エネルギー光子（kT ≥ 2 GeV/c）は、小さな、短命な光源半径（R_side ≈ 3.8 fm、R_out ≈ 3.7 fm、R_long ≈ 1.6 fm）を示し、主に初期の非平衡期に発生していることを示している。一方、低エネルギー光子は後続の熱的段階から発生し、より大きな半径を持つ。これにより、干渉計測を用いて発生時系列の明確な分離が可能となる。

ABSTRACT

We calculate the two-body correlation function of direct photons produced in Au+Au collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider. Our calculation includes contributions from the early pre-equilibrium phase in which photons are produced via hard parton scatterings as well as radiation of photons from a thermalized Quark-Gluon-Plasma (QGP) and the subsequent expanding hadron gas. We find that high energy photon intensity interferometry provides a faithful probe of the details of the space-time evolution and of the early reaction stages of the system.

研究の動機と目的

• Au+Au衝突における、初期の非平衡期に発生する直接光子と、後続の熱化段階からの光子を、二光子運動量相関によって区別できるかを調査すること。
• 包含的光子スペクトルが長寿命のハドロン（例：π⁰、η）の崩壊に支配され、初期のダイナミクスを直接探査することが困難であるという課題に対処すること。
• 二光子干渉計測がこの問題を回避できることを示すこと。これは、崩壊光子が相対的運動量が小さい場合に、大きな崩壊頂点のずれにより、無視できる相関を示すためである。
• 異なる発生段階からの光子の相関関数から光源半径を抽出することで、高温高密度物質の時空的進化を定量化すること。
• RHICでの実験的測定に向けた予測的フレームワークを提供し、光子干渉計測によって非平衡期のダイナミクスを同定可能にする。

提案手法

• 非平衡期のハード部分子散乱および光子発生を、VNI/BMS版の一部子カスケードモデル（PCM）を用いてシミュレートし、分岐過程（例：g→q̄q、g→gγ）を含め、発散を正則化するための1 GeVの赤外カットオフを適用する。
• ブースト不変性を有する理想流体力学を用いて、熱化したQGPおよびその後のハドロンガスからの光子発生をモデル化し、一次的QGPおよびハドロンガスの発生率を用いる。
• 二体相関関数C(q)は、HBT形式を用いて計算され、相対運動量および光子対の平均運動量を用いて、q_out、q_side、q_longの運動量空間変数が定義される。
• 流体力学計算から得られる光子発生頂点および運動量をモンテカルロサンプリングし、PCMで生成された光子と組み合わせて、相関解析用の完全なサンプルを構築する。
• 光源半径R_out、R_side、R_longは、相関関数をガウス関数形にフィットすることによって抽出される：1 + (1/2)exp[−(q_out²R_out² + q_side²R_side² + q_long²R_long²)/2]。
• 相関関数の正確な評価を確保するため、PCMおよび流体力学サンプルから合計125,000件のイベントが使用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RHICにおけるAu+Au衝突において、二光子運動量相関は、初期の非平衡期に発生する直接光子と、熱化したQGPおよびハドロンガス段階からの光子を区別できるか？
• RQ2 高エネルギー光子（kT ≥ 2 GeV/c）と低エネルギー熱的光子との間で、光子干渉計測から抽出された光源半径はどのように異なるか？
• RQ3 非平衡期と熱的光子の干渉効果が、単純な個々の寄与の平均と比較して、抽出された半径をどの程度歪めるか？
• RQ4 縦方向の半径R_longは、その系の縦方向の膨張および寿命に敏感であるため、事前に発生するハドロンの発生を明確に示すサインとして信頼できるか？
• RQ5 光子干渉計測は、包含的光子スペクトルを圧倒的に占めるハドロン崩壊（例：π⁰ → γγ）の背景を克服できるか？

主な発見

• 横運動量kT = (2±0.2) GeV/cの光子では、横方向および外向きの光源半径はそれぞれR_side ≈ 3.8 fmおよびR_out ≈ 3.7 fmであり、コンパクトで短命な発生源を示している。
• 高kT光子の縦方向半径R_long ≈ 1.6 fmは、横方向半径よりも顕著に小さく、衝突の初期で発生したコンパクトな段階に一致している。
• R_outとR_sideの差が非常に小さい（≈0.1 fm）ことから、非常に短命な光源であり、非平衡期のダイナミクスに特徴的である。
• kT = 1 GeVの場合、抽出された半径（R_side ≈ 5 fm）は、純粋なPCMと純粋な流体力学的源の中間にあるが、非平衡期と熱的光子の干渉のため、単純な平均ではない。
• kT = 0.2 GeVでは、熱的光子が支配的となり、R_side ≈ 5 fmおよびR_out/R_side ≈ 2を示し、後段階のQGPおよびハドロンガスのより大きな空間的広がりを反映している。
• 相関関数C(q_long)は、急速度窓の変化に対して頑健であることが確認され、R_long ≈ 1.6 fmは事前に発生するハドロンの発生を信頼できるサインとして保証される。