[論文レビュー] Observation of the collective flow in proton-proton collisions

Piotr Bożek|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2009

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCエネルギーにおける陽子-陽子衝突における集団的流れが、高多重度イベントにおける多重度依存性のある楕円形流れ（$v_2$）を通じて検出可能であると提案している。高多重度イベントでは、2本のフラックスチューブが初期の方位角非対称性を生成する。流体力学的シミュレーションにより、このような非対称な源が統計的フラクチュエーションとは乖離した測定可能な$v_2$を生成することが示され、1本のストリングイベントでは$ \sqrt{N}v_2 \approx 0.95$となり、多重度が高い場合には2本のストリング優位性により飽和する。

ABSTRACT

The scenario of a collective expansion of matter created in proton-proton (p-p) collisions at the CERN Large Hadron Collider (LHC) is discussed. Assuming a small transverse size and a formation time of 0.1fm/c of the source we observe the build up of a substantial transverse flow in relativistic hydrodynamic simulations. In order to demonstrate the collectivity in p-p collisions we propose to look at the multiplicity dependence of the elliptic flow coefficient. If high multiplicity events originate from azimuthally asymmetric events containing two flux tubes, an observable signal above the statistical fluctuations in the measured elliptic flow could appear.

研究の動機と目的

• 小システムサイズのため従来の流体力学的モデルが疑わしい陽子-陽子衝突における集団的性の明確なシグネチャを特定すること。
• 低多重度の陽子-陽子衝突において、真の集団的流れと統計的フラクチュエーションを区別する課題に対処すること。
• 2本のフラックスチューブがもたらす初期状態の方位角非対称性が、高多重度の陽子-陽子衝突で観測可能な楕円形流れを生成するかどうかを調査すること。
• $v_2$が非相関放出に予想される$1/\sqrt{N}$依存性から逸脱することを示し、集団的性の検証可能なシグネチャを提供すること。
• HBT半径と$v_2$測定値と比較して、流体力学的モデルの予測が実験的トレンドと整合することを検証すること。

提案手法

• 縦方向にBjorkenスケーリングを適用した理想相対論的流体力学を用い、横方向エネルギー密度プロファイルとして$\epsilon_{FT}(x,y) = \epsilon_0 \exp\left(-\frac{x^2 + y^2}{2\sigma^2}\right)$を採用し、$\sigma = 0.5$ fmとする。
• 初期状態を1本のフラックスチューブ（方位角的対称）または2本のフラックスチューブ（非対称）としてモデル化し、$d = 0.7$–$0.9$ fmの条件下で$\epsilon_{FT}(x,y) = \epsilon_{FT}(x,y - d/2) + \epsilon_{FT}(x,y + d/2)$とする。
• 初期時刻$\tau_0 = 0.1$ fm/c、凍結温度$T_{\text{fo}} = 140$ MeVと設定し、粒子放出およびレゾナント崩壊にはTHERMINATORを用いる。
• 楕円形流れ係数$v_2 = \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N \cos(2(\phi_i - \Psi))$を計算し、$\Psi$はイベントごとの反応面角度で、$v_2$を最大にする。
• 統計的フラクチュエーションの寄与を$ v_2 \approx \sqrt{\pi}/(2\sqrt{N}) \approx 0.866/\sqrt{N} $として推定し、比較のためのベースラインとする。
• 相関関数へのガウスフィットを用いてHBT干渉計半径を計算し、有限寿命効果を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子-陽子衝突における集団的流れは、粒子放出の統計的フラクチュエーションから区別可能か？
• RQ2 高多重度の陽子-陽子衝突における2本のフラックスチューブの存在が、初期の非対称性を生じさせ、測定可能な楕円形流れを生成するか？
• RQ3 LHCエネルギーにおける陽子-陽子衝突における全荷電粒子多重度$N$に対して、楕円形流れ$v_2$はどのように依存するか？
• RQ4 小さな、短命なフレイムボールの流体力学的拡張が、観測可能な横方向流れおよび修正されたHBT半径を生じる程度はどの程度か？
• RQ5 多重度依存性の$\sqrt{N}v_2$が、非相関放出と集団的効果を区別するためのシグネチャとして機能するか？

主な発見

• 流体力学的シミュレーションにより、寿命が約2 fm/cで初期時刻$\tau_0 = 0.1$ fm/cの陽子-陽子フレイムボールは、凍結時に約0.5cに達する顕著な横方向流れを発達させる。
• 有限寿命効果によりHBT半径は約1.5 fmに増加し、RHICのSTAR実験データと整合的である。
• 1本のストリングイベントでは$\sqrt{N}v_2 \approx 0.95$となり、統計的フラクチュエーションのベースライン$\approx 0.866/\sqrt{N}$を上回り、非自明な相関を示唆する。
• 高多重度イベントでは2本のストリング構成が支配的となり、$v_2$は$1/\sqrt{N}$に従って減少するのではなく飽和する。これは統計的フラクチュエーションからの逸脱を示唆する。
• 初期粒子からの楕円形流れは統計的フラクチュエーションの公式に従うが、全$v_2$にはレゾナント崩壊と集団的ダイナミクスの寄与が含まれる。
• モデルは、統計的フラクチュエーションを差し引いた後、高多重度で$v_2$に非ゼロの信号が残るならば、陽子-陽子衝突における集団的流れの存在を確認できると予測している。