[論文レビュー] Minijet initial state of heavy-ion collisions from next-to-leading order perturbative QCD

Risto Paatelainen|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2014

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、重イオン衝突におけるミニジェット初期状態を計算する次-leading order (NLO) 級の摂動的QCDフレームワークを提示する。このフレームワークは、改良されたパートン分布関数と赤外・衝突特異性のない測定関数を組み込んでいる。NLOで改善されたEKRTモデルは、RHICおよびLHCエネルギー下での全般的な観測量をうまく再現でき、QCD物質の温度依存的せん断粘性係数の制約付き決定を可能にする。

ABSTRACT

The aim of this thesis is to calculate field-theoretically as rigorously as possible the initial state of partonic matter produced in ultrarelativistic heavy-ion collisions at CERN-LHC and BNL-RHIC colliders. The computed minijet initial conditions are then used in the initialization of the relativistic hydrodynamical modeling of these collisions. In the theoretical introduction part the computation of parton production cross section at next-to-leading order (NLO) perturbative QCD (pQCD) is discussed. Furthermore, the full analytical calculation for the squared quark-quark scattering matrix element including the systematic ultraviolet renormalization is presented. Finally, the subtraction method allowing for the cancellation of the infrared and collinear singularities in the partonic QCD cross section at NLO is discussed. In the more phenomenological part of the thesis the original EKRT model, which combines collinearly factorized leading-order pQCD minijet production with gluon saturation, is introduced. Next, the minijet production is generalized rigorously to NLO. In particular, a new set of measurement functions is introduced to define the produced infrared- and collinear-safe minijet transverse energy, in terms of which the saturation is now formulated. Finally, the framework is updated with the latest knowledge of nuclear parton distribution functions. Using the NLO-improved EKRT model with hydrodynamics we obtained a good agreement with the measured centrality dependence of the low-transverse-momentum bulk observables, simultaneously at the LHC and RHIC. In particular, aiming at a determination of the QCD matter properties from these measurements, we were able to constrain the temperature dependence of the QCD matter shear viscosity, which is an important result.

研究の動機と目的

• 超相対論的重イオン衝突におけるミニジェット生成を、場の理論的に厳密なNLO pQCDフレームワークとして開発すること。
• 部分的断面積における赤外・衝突特異性を減算法と紫外重規格化を用いて取り扱うこと。
• NLO補正と更新された核子パートン分布関数を組み込んだことで、EKRTモデルを一般化すること。
• 赤外・衝突特異性のない測定関数を用いてミニジェットの横運動量エネルギーの記述を改善し、飽和効果を一貫してモデル化すること。
• RHICおよびLHCでの実験データと流体力学的シミュレーションを比較することで、QCD物質のせん断粘性係数の温度依存性を制約すること。

提案手法

• NLOでのクォーク-クォーク散乱振幅の完全な解析的計算を実行し、1ループの仮想補正項と実際の励起放射項を含む。
• 自己エネルギー、頂点、ボックス図のQCD補正項を用いた体系的な紫外重規格化を実装する。
• NLO断面積における赤外・衝突特異性をキャンセルするため、減算法を適用する。
• 赤外・衝突特異性のないミニジェット横運動量エネルギーを定義する新しい測定関数を導入し、一貫性のある飽和モデル化を可能にする。
• NLOで改善されたミニジェット生成と最新の核子PDF（核子修正要因を含む）を用いて、EKRTモデルを更新する。
• NLOミニジェット初期状態と相対論的粘性流体力学を組み合わせ、重イオン衝突における全般的な観測量をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NLO pQCDを、場の理論的厳密性を保ちつつ、重イオン衝突におけるミニジェット初期状態を体系的に計算するにはどうすればよいか？
• RQ2 NLO補正と改良されたパートン分布関数は、飽和スケールおよび初期エネルギー密度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 NLOで改善されたEKRTモデルは、RHICおよびLHCエネルギー下で、中心性依存の全般的な観測量を同時に記述できるか？
• RQ4 粘性流体力学とNLO初期状態を組み込むことで、QCD物質のせん断粘性係数の抽出にどのような影響を与えるか？
• RQ5 実験データとの比較から、せん断粘性係数とエントロピー密度比の温度依存性にどのような制約を課すことができるか？

主な発見

• NLOで改善されたEKRTモデルは、RHICおよびLHCエネルギー下で測定された低横運動量全般的な観測量の中心性依存性と良好に一致する。
• NLO補正と更新された核子PDFの組み込みにより、ミニジェット生成および初期エネルギー密度の記述が顕著に改善された。
• 新しい測定関数により、ミニジェット横運動量エネルギーの一貫性があり、赤外・衝突特異性のない定義が可能になった。
• モデルはQCD物質のせん断粘性係数の温度依存性を成功裏に制約し、クォーク-グルーオンプラズマの性質に関する重要な物理的知見を提供した。
• NLOミニジェットプログラムの数値的実装（完全な重規格化と減算を含む）は検証され、学位論文のすべての結果の生成に使用された。
• NLOで改善された流体力学的シミュレーションは、広いエネルギー範囲にわたるチャージドハドロンの$p_T$スペクトルおよび核抑制係数の実験データを再現した。