[論文レビュー] Is the quark gluon plasma produced in RHIC collisions strongly coupled?

R. Lacey, Arkadij Taranenko+1 more|ArXiv.org|May 27, 2009

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、RHICで測定されたAu+Au衝突における√s_{NN} = 200 GeVの条件下で、二重微分測定による楕円形流れ（v_2）およびヘクサデカポール流れ（v_4）を用いて、クォーク- gluonプラズマ（QGP）の局所的平衡度、平均自由行程（λ）、および粘性率対エントロピー密度比（η/s）を制約する。その結果、QGPは1/4πの下限とされる値の5–10%以内の近似局所的平衡に達しており、4π(η/s) = 1.3 ± 0.3およびλ = 0.25{-}0.3 fmであることが示され、強い結合性と低粘性を示している。

ABSTRACT

Recent hexadecapole (v4) and elliptic (v2) flow measurements are used to constrain estimates for the degree of local equilibrium, mean free path $λ$, and the viscosity to entropy density ratio (eta/s) of the plasma produced in Au+Au collisions at RootS = 200 GeV. The eccentricity-scaled flow coefficients v2/e2 and v4/e4 indicate that the plasma achieves a degree of local equilibrium within 5 - 10% of the value expected for a fluid with eta/s equal to the conjectured lower bound of 1/4pi. Estimates for $λ$ and eta/s as a function of collision centrality and particle transverse momentum pT, points to transverse expansion dynamics compatible with a strongly coupled low viscosity plasma.

研究の動機と目的

• 中心的および中程度中央のAu+Au衝突において生成されるクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）の局所的平衡度と輸送特性を特定すること。
• 流れデータから粘性率対エントロピー密度比（η/s）および平均自由行程（λ）を推定することで、QGPが強いか弱いかの結合性を評価すること。
• v_2/ε_2およびv_4/ε_4における流体力学的スケーリングの破れを、非理想流体行動および局所的平衡のプローブとしてテストすること。
• 修正されたクヌーセン数形式を用いて、衝突中央度および横運動量（p_T）の関数としてη/sおよびλを制約すること。
• 観測された流れダイナミクスが、1/4πの下限に近い強い結合性・低粘性QGPと整合しているかどうかを評価すること。

提案手法

• Au+Au衝突におけるcharged hadronsの二重微分v_2およびv_4測定を用いる。
• 修正された流体力学的スケーリングの仮定を適用：v_{2k}/ε_{2k} = v_{2k}^{\rm{h}}/ε_{2k} × [K^{-1} / (K^{-1} + K_0^{-1})]^k、ここでK = λ / R̄ および K_0 = 0.7 ± 0.03。
• 偏心度スケールされた流れ係数（v_2/ε_2、v_4/ε_4）をN_{\rm part}およびp_Tの関数としてKの関数としてフィットする。
• 中央度依存の横断的サイズR̄および格子QCDの状態方程式から得られるT = 220 ± 20 MeVを用いて、λ = R̄ Kを推定する。
• 関係式4π(η/s) = (v_{2k}^{\rm{h}} / v_{2k})^{1/k} × 定数を用いてη/sを計算する。Kに依存する粘性補正を含む。
• fKLNおよびGlauberモデルの偏心度を用いて妥当性を検証し、大きさの違いはあるものの一貫した傾向を示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RHICのAu+Au衝突で生成されるQGPは、v_2/ε_2およびv_4/ε_4のスケーリングの破れによって測定される局所的平衡度がどの程度達成されているか？
• RQ2 QGPの粘性率対エントロピー密度比（η/s）は何か？ また、1/4πの推定下限に近づいているか？
• RQ3 QGP内の部分粒子の平均自由行程（λ）は、衝突中央度および横運動量（p_T）にどのように依存するか？
• RQ4 観測されたη/sのp_T依存性は、流体力学的粘性補正に起因するものか、それとも物質の固有の性質を示唆するか？
• RQ5 v_2およびv_4の両方のデータを統合することで、QGPの結合強度を制約でき、強い結合性・ほぼ完全流体的挙動を支持できるか？

主な発見

• QGPは、η/s = 1/4πの流体が示す値の5–10%以内の近似局所的平衡に達しており、ほぼ完全な熱化が実現していることが示された。
• 抽出された4π(η/s) = 1.3 ± 0.3は、1/4πの推定下限と整合しており、強い結合性・低粘性プラズマを支持する。
• 平均自由行程はλ = 0.25{-}0.3 fmと推定され、強い散乱および短距離の運動量輸送を示しており、強い結合性と整合的である。
• 4π(η/s)のp_T依存性は2次関数的増加を示し、(p_T/T)^2 Kに比例する粘性補正に起因するものであり、物質の固有の性質とは異なる。
• N_{\rm part}に依存しない4π(η/s)のバンドは、横断的サイズおよび初期幾何学的形状がスケーリングを支配しており、中央度依存のλとは無関係であることを示唆している。
• fKLNおよびGlauberモデルの両方で一貫した結果が得られ、大きさの違いはあるものの、流体力学的スケーリング手法の妥当性が確認された。