[論文レビュー] Quark Coalescence and Hadronic Equilibrium

Tamás S. Bíró|ArXiv.org|May 8, 2000

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、急速に膨張するクォーク・ gluon プラズマにおけるハドロンの化学的平衡に至るメカニズムとしてのクォーク凝集を調査し、ハドロン化断面積がクォーク密度に依存する動的閉じ込め（dynamical confinement）が、平衡に急速に近づくことを示している。これは、短い時間スケールでも制約付きハドロン平衡モデルが実験データにうまく合う理由を説明する。この密度依存性がなければ、平衡に十分に達せず、観測されたハドロン比とは顕著なずれを示す。

ABSTRACT

In a simplified model we study how close can the result of a fast, non-equilibrium hadronization of quark matter in an expanding fireball come to hadronic composition in equilibrium. We present a chemical approach to the simple A+B --> C quark fusion, showing ideal equilibrium constrained by conservation laws, the fugacity parametrization, as well as linear and non-linear quark coalescence models as different approximations to this chemistry. It is shown that color confinement requires a quark density dependent hadronization cross section.

研究の動機と目的

• 短い反応時間にもかかわらず重イオン衝突における成功した制約付きハドロン平衡モデルのパラドックスを解消すること。
• クォーク凝集において断面積が密度に依存する場合、ハドロン平衡モデルの成功を再現できるかどうかを調査すること。
• SPSおよびRHICの異なる膨張シナリオにおいて、静的閉じこめと動的閉じこめの両方を用いて、化学的平衡に達する度合いを定量化すること。
• ハドロン化断面積の密度依存性の物理的起源を特定し、色ストリング形成と関連付けること。
• クォーク・グルーオンプラズマにおける非平衡ダイナミクスを踏まえ、現在の統計的モデルの妥当性を評価すること。

提案手法

• 反応 $ A + B \leftrightarrow C $ を化学反応としてモデル化し、$ A $ と $ B $ をクォーク成分、$ C $ をハドロンとする。時間に依存する速度式を用いる。
• 反応の平衡への駆動力の特徴づけに、活性度 $ x^{(r)} = \sum_i \alpha_i^{(r)} \mu_i / T $ を用いる。
• 粒子数の時間発展を追跡するため、速度式 $ \dot{N}_i = \sum_r \alpha_i^{(r)} R^{(r)} (1 - e^{x^{(r)}}) $ を用いる。アディアバティック膨張を仮定する。
• 時間に依存する体積 $ V(t) $ と温度 $ T(t) $ を導入し、アディアバティック膨張の下で $ VT^{3/2} = \text{const} $ と仮定する。
• 非摂動的効果を反映させるために、ハドロン化断面積をクォーク密度の逆数に比例させる、$ \sigma \propto n_{\text{color}}^{-1} $ という動的閉じこめを導入する。
• SPSおよびRHICのシナリオにおいて、静的閉じこめ（断面積一定）と動的閉じこめ（密度依存）の両方で、平衡度 $ \gamma_C $ を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度に依存する断面積を持つクォーク凝集は、ハドロン比を記述する制約付きハドロン平衡モデルの成功を説明できるか？
• RQ2 なぜSPSおよびRHIC衝突の短い時間スケールにもかかわらず、制約付きハドロン平衡モデルがデータにうまく合うのか？
• RQ3 SPSおよびRHICの膨張シナリオにおいて、動的閉じこめ下での化学的平衡に達する特徴的な時間スケールは何か？
• RQ4 動的閉じこめが欠落している場合、化学的平衡度にどのような影響があり、定量的なずれはどの程度か？
• RQ5 観測されたハドロン化断面積の密度依存性の背後にある物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 動的SPSシナリオにおいて、2 fm/c経過後、化学的平衡度 $ \gamma_C $ は平衡値のおよそ0.63に達し、迅速な平衡化を示している。
• 静的SPSシナリオでは、2 fm/c経過後、$ \gamma_C $ は0.3未満に飽和し、不完全な平衡化を示しており、平衡モデルの予測に2〜3倍の誤差が生じる。
• 静的RHICシナリオでは、平衡に達するまでに約3.5 fm/cを要し、遅いプロセスであり、早期のハドロン化破壊によって中断される可能性がある。
• $ \sigma \propto n_{\text{color}}^{-1} $ という動的閉じこめ機構が、観測された平衡への迅速な接近を説明し、時間スケールのパラドックスを解消する。
• この簡略化されたシナリオにおいて、ALCORと制約付きハドロン平衡が、保存則が共通であるため、同じ結果をもたらすことが示された。物理的メカニズムは異なるが、結果は類似している。
• 実験データが数fm/cのうちに平衡比の70–80％を達成していることから、静的閉じこめは強く否定され、ハドロン化における動的閉じこめの必要性が支持される。