[論文レビュー] Phenomenological Consequences of Enhanced Bulk Viscosity Near the QCD Critical Point

Akihiko Monnai, Swagato Mukherjee+1 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jun 2, 2016

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、非零のバリオン密度を伴う1+1次元因果的相対論的流体力学モデルを用いて、QCD臨界点付近における増大した体積粘性係数の現象論的効果を調査する。臨界的に増大した体積粘性係数は、状態方程式を顕著に軟化させ、流れの速度および粒子スペクトルに測定可能な変化を引き起こすことが示された。これは、揺らぎ測定を超える、QCD臨界点を特定するための新しい観測可能性を提供する。

ABSTRACT

In the proximity of the QCD critical point the bulk viscosity of quark-gluon matter is expected to be proportional to nearly the third power of the critical correlation length, and become significantly enhanced. This work is the first attempt to study the phenomenological consequences of enhanced bulk viscosity near the QCD critical point. For this purpose, we implement the expected critical behavior of the bulk viscosity within a non-boost-invariant, longitudinally expanding $1+1$ dimensional causal relativistic hydrodynamical evolution at non-zero baryon density. We demonstrate that the critically-enhanced bulk viscosity induces a substantial non-equilibrium pressure, effectively softening the equation of state, and leads to sizable effects in the flow velocity and single particle distributions at the freeze-out. The observable effects that may arise due to the enhanced bulk viscosity in the vicinity of the QCD critical point can be used as complimentary information to facilitate searches for the QCD critical point.

研究の動機と目的

• QCD臨界点付近における臨界的に増大した体積粘性係数の現象論的結果を調査すること。これは、相関長さξに比例してξ³と予想される重要な輸送性質である。
• このような増大した粘性係数が、非零のバリオン密度を有する非ブースト不変な縦方向に拡張する系における流体力学的進化にどのように影響を与えるかを評価すること。
• QCD臨界点を特定するための補足的プローブとして機能しうる、粒子スペクトルおよび流れにおける観測可能なシグネチャーを同定すること。
• 臨界的挙動を示す体積粘性緩和時間τΠの挙動を検討すること。これは、モデル-H動的普遍性クラスから導かれるように、ξ³に比例するとされている。この特徴は、従来の文献では議論されていなかった。

提案手法

• 非零のバリオン密度下で、1+1次元因果的相対論的流体力学フレームワーク（アイザラ・シュタウル理論）に、体積粘性係数ζ ∼ ξ³の臨界的挙動を組み込む。
• モデル-H動的普遍性クラスから導かれるように、体積粘性緩和時間τΠ ∼ ξ³の臨界スケーリングを組み込む。
• 現実の重イオン衝突幾何学をモデル化するため、ブースト不変でない縦方向に拡張する設定を採用する。
• 初期条件と状態方程式を同一にしたまま、臨界点を含む場合と含まない場合の流体力学的進化を比較することで、増大した粘性係数の影響を明確に分離する。
• 粒子スペクトルに与える影響を評価するため、freeze-out段階の位相空間分布における非平衡補正δfを含める。
• 臨界的輸送係数を有するアイザラ・シュタウル方程式を数値的に解き、流れの速度、圧力、および最終状態の粒子分布を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨界的に増大した体積粘性係数は、QCD臨界点付近におけるクォーカー・グルーオン物質の流体力学的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 臨界点付近における増大した体積粘性係数によって、流れの速度および粒子スペクトルにどのような観測可能な変化が生じるか？
• RQ3 臨界点付近における体積粘性緩和時間τΠはどのように振る舞い、それは体積粘性圧力の増大を制限するか？
• RQ4 結果として生じる有効な状態方程式の軟化は、実験データにおいて他の軟化要因と区別可能か？
• RQ5 freeze-out分布に対する非平衡補正δfは、臨界点の存在にどの程度敏感か？

主な発見

• 臨界的に増大した体積粘性係数は、臨界点付近で体積粘性圧力が顕著に増大し、結果として状態方程式が顕著に軟化することをもたらす。
• 増大した体積粘性係数を有する流体力学的進化は、特に臨界領域において、前向きラピディティでの粒子生成断面積dNch/dYおよびdNB/dYの顕著な増加を生じる。
• 臨界状態と非臨界状態との間で、ニュートリノ数および荷電粒子生成断面積に顕著な相対的変化が生じ、実験で観測可能である可能性を示唆する。
• freeze-out分布に対する非平衡補正δfは、|Π| ∼ pであっても、粒子スペクトルにわずかではあるが無視できない影響を与える。
• 臨界点付近で体積粘性緩和時間τΠがξ³に比例することが示され、臨界ダイナミクスと粘性緩和の強い結合が示唆される。
• 物理的に妥当なτΠの値において、気泡形成（cavitation）は回避され、臨界点付近で音速が軟化するため、|Π|/ (ε+p) ∼ 0.1であってもアイザラ・シュタウル形式が適用可能である。