[論文レビュー] Quantum entanglement in the initial and final state of relativistic heavy ion collisions

R. Bellwied|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2018

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 17被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、相対論的重イオン衝突の初期状態における量子もつれが、RHICおよびLHCで観測された軽い原子核およびハイパーヌクレオの粒子多重度と生成断面積の有効な熱的分布を生成すると提案している。共形場理論から導かれる時間に依存する温度を介して初期もつれエントロピーと最終状態の熱力学的エントロピーを結びつけることで、緩く束縛された複合状態に対しても、見かけの熱平衡化と固定された化学的凍結温度が生じることを説明する。

ABSTRACT

The possibility of quantum entanglement leading to a seemingly thermal distribution of the initial partonic state that maps to the final hadronic state in the evolution of the deconfined phase generated in relativistic heavy ion collisions is discussed in the context of early thermalization and final state particle distributions obtained in experiments at RHIC and the LHC.

研究の動機と目的

• RHICおよびLHCにおける重イオン衝突で観測された、純粋なハドロン凝集モデルとは整合しない軽い原子核およびハイパーヌクレオの予想外に高い生成断面積を説明すること。
• 複合粒子の結合エネルギーが凍結温度に比べて小さいにもかかわらず、粒子多重度と生成断面積が熱的分布に従う理由を解明すること。
• 初期の一部粒子相における量子もつれ、特にソフトグルーオン領域におけるもつれが、有効な熱平衡化を引き起こし、最終状態におけるバーリオンあたりのエントロピーを固定することを提案すること。
• 初期もつれエントロピーと最終熱力学的エントロピーの1対1対応を確立し、観測された化学的凍結温度のエネルギー依存性の欠如に微視的な基礎を与えること。
• 重イオン衝突における見かけの熱的挙動と量子もつれを統合し、熱的フィットにおける有効温度が熱平衡ではなく初期もつれを反映している可能性を示すこと。

提案手法

• 強い結合、グルーオンで飽和した初期状態におけるもつれエントロピーから、共形場理論を用いて時間に依存する温度 T = 1/(2πτ) を導出する。
• 初期状態を波数が互いに反対の擬似粒子の最大もつれ系としてモデル化し、もつれエントロピーがもつれ体積（L = τΔη）に対して対数的に比例することを仮定する。
• 1+1次元CFTにおけるカラブレーゼ＝カーディの公式を適用：S(τ, Δη) = (c/3) ln(2τ/ϵ sinh(Δη/2)) + const. これによりもつれと有効温度を結びつける。
• 初期状態におけるもつれエントロピーが、最終的なハドロン状態の熱力学的エントロピーに直接写像され、粒子多重度が保存されることを提案する。
• 非摂動的ソフトグルーオン寄与を含めたパートン＝ハドロン双対性を拡張し、カラーグラスコンデンゲート（CGC）の飽和スケールを最終状態の粒子生成断面積と結びつける。
• もつれがハドロン化まで生存するためには、パートン的進化過程におけるデコherenceが最小限に抑えられる必要があると主張し、複雑なハドロン状態の形成を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重イオン衝突の初期状態における量子もつれが、観測された熱的のようなスペクトルおよび軽い原子核・ハイパーヌクレオの生成断面積を説明できるか。
• RQ2 初期のグルーオンで飽和した状態におけるもつれエントロピーが、最終状態の熱力学的エントロピーおよび粒子多重度にどの程度影響を与えるか。
• RQ3 化学的凍結温度がRHICおよびLHCのエネルギー範囲で概ね一定であるのはなぜか。これは初期もつれが熱平衡ではなく、その原因であると考えられるか。
• RQ4 結合エネルギーが小さい緩い束縛状態である軽い原子核が、高温のQGP相を通過してもなぜ生存できるのか。
• RQ5 QCDのクロスオーバーにおいて、初期もつれエントロピーと最終熱力学的エントロピーの直接的かつ1対1の対応関係が存在するか。

主な発見

• もつれエントロピーから導かれる時間に依存する温度 T = 1/(2πτ) は、時間の経過ともつれ体積の増加に伴い減少し、熱平衡化を模倣する。
• 初期状態におけるもつれエントロピー（主にソフトグルーオンに支配）が、最終的な熱力学的エントロピーに直接写像され、観測されたバーリオンあたりのエントロピーの微視的起源を提供する。
• 化学的凍結温度（約150–160 MeV）のエネルギー依存性の欠如は、飽和スケールに達することで初期もつれレベルが固定されることに起因するとモデルが説明する。
• 軽い原子核およびハイパーヌクレオの生成断面積は、ハーゲンドン温度での熱的フィットに一致するが、本モデルではこれが熱平衡ではなく初期もつれに起因すると説明する。
• 本モデルは、2021年以降の高統計LHCランで、多様な奇妙クォーク状態（例：ハイパーヌクレオ）がエンタングルメント駆動の温度に起因して利用可能になると予測する。
• 重イオン衝突における見かけの熱的挙動（非ポisson的累積モーメントフラクチュエーションを含む）は、ソフトグルーオン領域におけるもつれによって説明可能であり、KNOスケーリングを破るが、データと整合的である。