[論文レビュー] On similarities of bulk observables in nuclear and particle collisions

E.K.G. Sarkisyan, A. S. Sakharov|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2004

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、e⁺e⁻、pp/¯pp、およびA+A衝突における高エネルギー衝突における多粒子生成の普遍的なエネルギー損失モデルを提案する。このモデルは、全粒子生成量の平均値や中間ラピディティ領域における擬似ラピディティ密度といったバルク観測量の類似性を説明する。ヌクレオンを有効な構造のない参加粒子として扱い、構成クォークの力学を反映させるために中心系エネルギーに3倍要因を導入することで、AGSからRHICまでのデータをよく再現し、LHCにおける挙動を実験的外挿とよく一致する形で予測する。

ABSTRACT

We study the regularities in the multiparticle production data obtained from different types of collisions indicating the universality of the hadroproduction process. The similarities of such bulk variables like the charged particle mean multiplicity and the pseudorapidity density at midrapidity measured in nucleus-nucleus, (anti)proton-proton and e+e- interactions are analysed according to the dissipating energy of participants and their types. This approach shows a good agreement with the measurements in a wide range of nuclear collision energies from AGS to RHIC. The predictions up to the LHC energies are made and compared to experimental extrapolations.

研究の動機と目的

• 高エネルギーにおける多様な衝突系（e⁺e⁻、pp/¯pp、A+A）におけるバルク観測量（平均多重度および中間ラピディティ領域における擬似ラピディティ密度）の観測された普遍性を説明すること。
• 低エネルギーのハドロン-ハドロンデータと高エネルギーの核-核またはe⁺e⁻データとの間の乖離を、構成クォークの力学に基づく参加粒子エネルギー損失モデルを導入することで解消すること。
• ヌクレオン-ニュクレオン衝突における有効な中心系エネルギーがe⁺e⁻やpp系と比較して3倍になることに対応する、現象論的枠組みを提供すること。
• モデルをLHCエネルギーにおけるバルク観測量の予測に拡張し、実験的外挿と比較すること。
• 参加粒子によるエネルギー散逸とスペクテータークォークの役割が、異なる衝突系における粒子生成量に与える影響を明確にすること。

提案手法

• 粒子生成を衝突領域における参加粒子が散逸するエネルギーに依存するとモデル化し、初期状態の完全な熱平衡を仮定する。
• エネルギーがローレンツ収縮された体積に損失されると、二次粒子生成量が決まるとするランダウ流体力学的モデルの枠組みを適用する。
• 中心系エネルギーに3倍要因を導入する：ヌクレオン-ヌクレオン衝突では、√s_NN が有効に3倍（3×√s_NN）され、e⁺e⁻やA+A衝突のエネルギースケールに一致する。
• e⁺e⁻結合に類似した、エネルギーを完全に損失する有効な構造のない粒子としてヌクレオンを扱う。
• 熱平衡系に寄与しないスペクテータークォークを考慮し、二次生成のための有効エネルギーを減少させる。
• 参加粒子ペアあたりの観測量（N_part/2）を正規化することで、エネルギースケールを越えた異なる衝突系間での比較を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 e⁺e⁻、pp/¯pp、A+A衝突において、参加粒子ペアあたり正規化した場合に平均多重度や中間ラピディティ密度が類似した値を示すのはなぜか？
• RQ2 統一された粒子生成モデル内で、低エネルギーppデータと高エネルギーA+A/e⁺e⁻データの乖離をどのように説明できるか？
• RQ3 ヌクレオンの構成クォーク構造が、構造のないe⁺e⁻衝突と比較して、粒子生成に利用可能な有効エネルギーをどのように変化させるか？
• RQ4 LHCエネルギー領域でも観測された観測量の類似性は維持され、一貫したエネルギースケーリング枠組みで予測可能か？
• RQ5 有効中心系エネルギーにおける3倍要因が、異なる衝突系間で観測されたスケーリング行動を説明できるか？

主な発見

• モデルは、e⁺e⁻、pp/¯pp、A+A衝突において参加粒子ペアあたり正規化した場合に観測された平均多重度および中間ラピディティ領域における擬似ラピディティ密度の類似性をうまく説明する。
• √s_NN = 5.5 TeV において、予測された参加粒子ペアあたりの平均多重度は、√s_pp = 14 TeV のpp推定値よりも約10%高く、200 GeV 時の約3.3倍大きい。
• モデルは、観測量のエネルギー依存性に二つの異なる領域を再現し、トップSPSエネルギー付近に遷移領域があることを示唆しており、おそらく境界的挙動を示す可能性がある。
• LHCエネルギーにおけるモデルの予測は、実験的外挿とよく一致しており、5.5 TeV までスケーリング行動に顕著な変化がないことを示している。
• √s_NN = 200 GeV のデュテロン-ゴールドデータは、ppとdAu衝突が類似した多重度を示すというモデルの予測を確認しており、エネルギー損失メカニズムの普遍性を支持する。
• 純粋にハドロン的モデルが高エネルギーRHICデータを記述できないことから、部分的または構成クォークに基づく記述の必要性が示され、本モデルは3倍要因を用いてこれを組み込んでいる。