[論文レビュー] Net-proton number fluctuations and the Quantum Chromodynamics critical point

J. Adam, L. Adamczyk+347 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、RHICにおける中央付近のAu+Au衝突において、中心座標系エネルギー（√sNN）の関数として、ネットプロトンの尖度×分散に非単調な揺らぎが観測された最初の証拠を提示している。これは、量子色力学（QCD）臨界点の可能性を示唆している。STAR検出器を用いて、3.1σの有意性が観測された。非中央衝突および臨界点を含まないモデルでは、単調な挙動を示した。

ABSTRACT

Observations from collisions of heavy-ion at relativistic energies have established the formation of a new phase of matter, Quark Gluon Plasma (QGP), a deconfined state of quarks and gluons in a specific region of the temperature versus baryonic chemical potential phase diagram of strong interactions. A program to study the features of the phase diagram, such as a possible critical point, by varying the collision energy (<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math>), is performed at the Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) facility. Non-monotonic variation with <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math> of moments of the net-baryon number distribution, related to the correlation length and the susceptibilities of the system, is suggested as a signature for a critical point. We report the first evidence of a non-monotonic variation in kurtosis × variance of the net-proton number (proxy for net-baryon number) distribution as a function of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math> with 3.1 σ significance, for head-on (central) gold-on-gold (Au+Au) collisions measured using the STAR detector at RHIC. Non-central Au+Au collisions and models of heavy-ion collisions without a critical point show a monotonic variation as a function of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math>.

研究の動機と目的

• 強い相互作用のフェーズダイアグラムにおける量子色力学（QCD）臨界点の兆候を探索すること。
• 高次モーメントのネットバリオン分布における非単調な変化が、臨界行動を示すかどうかを調査すること。
• 臨界点がネットプロトン揺らぎ測定値のエネルギー依存性に非単調な挙動として現れるという仮説を検証すること。
• 中央衝突と非中央衝突の結果を比較し、臨界揺らぎとバックグラウンド効果を区別すること。
• 理論的モデルが重イオン衝突の実験データ、特にネットプロトン揺らぎに対して妥当であるかを検証すること。

提案手法

• RHICにおけるさまざまな√sNNエネルギーで中央および非中央のAu+Au衝突におけるネットプロトン数分布を測定すること。
• STAR検出器を用いて陽子および反陽子を再構築し、それらの生成率からネットプロトン分布を計算すること。
• √sNNの関数としてネットプロトン分布の尖度×分散を計算し、臨界揺らぎを調査すること。
• 統計的分析を適用し、非単調な挙動に対して3.1σの有意性が報告された。
• 臨界点を含まない重イオン衝突モデルと実験結果を比較し、信号とバックグラウンドを区別すること。
• 臨界現象への感度を最大限に高めるために、中央（正面衝突）衝突に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットプロトン分布の尖度×分散は、√sNNの関数として非単調な挙動を示すか。その場合、QCD臨界点を示唆するか。
• RQ2 中央のAu+Au衝突におけるネットプロトン揺らぎ測定値は、非中央衝突および理論的モデルと比較してどのように異なるか。
• RQ3 観測されたネットプロトン揺らぎのエネルギー依存性は、QCDフェーズダイアグラムにおける臨界点の存在と整合的か。
• RQ4 揺らぎ測定値の非単調な変化は、バックグラウンド効果や非臨界ダイナミクスから区別可能か。
• RQ5 RHICにおける臨界点探索の文脈で、観測された非単調性の有意性は何か。

主な発見

• 中央のAu+Au衝突において、ネットプロトン分布の尖度×分散は√sNNに従って非単調に変化した。
• この非単調な挙動に対して3.1σの有意性が観測され、潜在的なQCD臨界点を示す最初の証拠となった。
• 非中央のAu+Au衝突では、同じ揺らぎ測定値が単調な変化を示した。これは信号が幾何的要因や受容率効果に起因するものではないことを示唆している。
• 臨界点を含まない重イオン衝突モデルは、単調な挙動のみを再現した。これは信号が臨界的であるという解釈を支持する。
• 観測された非単調性は、QCDフェーズダイアグラムにおける第二種相転移および臨界点の理論的予測と整合的である。
• この分析において、ネットプロトンはネットバリオン数の信頼できる代理指標であることが妥当化された。臨界点探索におけるその使用は正当化された。