[論文レビュー] Kaon fluctuations from lattice QCD

Jacquelyn Noronha-Hostler, R. Bellwied+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2016

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、初期状態のカイオンにボルツマン近似を適用することで、 lattice QCD におけるカイオンのフラクチュエーションを信頼性高く抽出できることを示している。励起状態の崩壊は2次フラクチュエーション比にほとんど影響を及ぼさないため、実験データと照合することでカイオンの化学的凍結温度を高精度に決定可能となり、重イオン衝突実験で観測された軽粒子および奇素粒子領域の凍結温度の不一致を解消する。

ABSTRACT

We show that it is possible to isolate a set of kaon fluctuations in lattice QCD. By means of the Hadron Resonance Gas (HRG) model, we calculate the actual kaon second-to-first fluctuation ratio, which receives contribution from primordial kaons and resonance decays, and show that it is very close to the one obtained for primordial kaons in the Boltzmann approximation. The latter only involves the strangeness and electric charge chemical potentials, which are functions of $T$ and $μ_B$ due to the experimental constraint on strangeness and electric charge, and can therefore be calculated on the lattice. This provides an unambiguous method to extract the kaon freeze-out temperature, by comparing the lattice results to the experimental values for the corresponding fluctuations.

研究の動機と目的

• 重イオン衝突実験で観測された軽粒子領域と奇素粒子領域の凍結温度に長年の不一致が生じている問題を解消すること。
• lattice QCD シミュレーションからカイオンの化学的凍結温度を第一原理的に抽出するための手法を確立すること。
• 励起状態の崩壊およびアイソスピンのランダム化が存在する中で、カイオンのフラクチュエーションにボルツマン近似を用いる正当性を評価すること。
• STAR共同研究グループのカイオンフラクチュエーションに関する実験データと lattice QCD 結果を照合するための信頼性の高い理論的枠組みを提供すること。
• 将来の流体力学的モデル化および輸送係数の研究を可能にするために、奇素粒子およびバリオンの凍結温度の温度依存性を明確にすること。

提案手法

• ハドロン共鳴状態ガス（HRG）モデルを用いて、初期状態のハドロンおよび共鳴状態の崩壊の寄与を含めた、完全なカイオンおよび陽子のフラクチュエーションを計算した。
• 共鳴状態の崩壊およびアイソスピンのランダム化を含む完全な HRG フラクチュエーションと、ボルツマン近似で得られたフラクチュエーションを比較し、その有効性を評価した。
• 有限のバリオン化学ポテンシャル $\mu_B$ における lattice QCD データを用いて、カイオンの2次対1次フラクチュエーション比 $\chi_{2}^{K}/\chi_{1}^{K}$ を計算した。
• lattice QCD の符号問題を克服するため、解析的続行およびテイラー展開の手法を用いて有限 $\mu_B$ の熱力学にアクセスした。
• HRG モデルを用いて、共鳴状態の崩壊が低次のカイオンフラクチュエーションにほとんど寄与しないことの証明を行い、ボルツマン近似の正当性を裏付けた。
• lattice QCD 結果と、$\sqrt{s} = 200$ GeV における初期の STAR 実験データとの比較を行い、$\chi_{2}^{K}/\chi_{1}^{K}$ に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴状態の崩壊およびアイソスピンのランダム化が存在する中で、ボルツマン近似はカイオンのフラクチュエーションを正確に記述できるか？
• RQ2 HRG モデルにおいて、共鳴状態の崩壊はカイオンおよび陽子の2次および3次フラクチュエーション比にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 lattice QCD による $\chi_{2}^{K}/\chi_{1}^{K}$ 結果を、実験データと信頼性高く照合し、カイオンの凍結温度を抽出できるか？
• RQ4 軽粒子領域と奇素粒子領域の凍結パrameterの不一致が、流体力学的モデルおよび輸送係数に与える影響は何か？
• RQ5 共鳴状態の崩壊および熱平衡制約を含めた場合、HRG モデルはカイオンの完全なフラクチュエーションスペクトルをどの程度よく記述できるか？

主な発見

• ボルツマン近似によるカイオンの2次対1次フラクチュエーション比 $\chi_{2}^{K}/\chi_{1}^{K}$ は、共鳴状態の崩壊を含む完全な HRG 結果と極めてよく一致しており、ボルツマンアプローチの正当性が裏付けられた。
• カイオンに関しては、共鳴状態の崩壊が2次フラクチュエーション比にほとんど寄与しないため、$\mu_B$ の広い範囲でボルツマン近似が信頼できる。
• lattice QCD による $\chi_{2}^{K}/\chi_{1}^{K}$ 比は HRG の予測と非常に良く一致しており、カイオンの凍結温度を高精度に抽出可能である。
• 陽子に関しては、$\chi_{2}^{p}/\chi_{1}^{p}$ については $\mu_B \sim 300$ MeV までボルツマン近似が正確に保たれるが、高 $\mu_B$ では $\chi_{3}^{p}/\chi_{2}^{p}$ に約15%のずれが生じる。
• 実験誤差の最終的な評価が得られれば、lattice QCD データによる $\chi_{2}^{K}/\chi_{1}^{K}$ を用いてカイオンの凍結温度を高精度に抽出できることが支持される。
• 本研究は、重イオン衝突における軽粒子領域と奇素粒子領域の凍結温度に長年の不一致が生じている問題を解消するための第一原理的基盤を提供する。