[論文レビュー] Recent developments in the theory of electromagnetic probes in relativistic heavy-ion collisions

Chun Shen|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2015

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 49被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、相対論的重イオン衝突における電磁的プローブ（直接光子および二重レプトン）に関する最近の理論的進展をレビューし、RHICおよびLHCにおける「直接光子の流れのパズル」の解消に焦点を当てる。熱的光子生成率の改善（NLO QCD補正、バリオン寄与、非平衡効果を含む）と、イベントごとの流体力学的シミュレーションを組み合わせることで、実験データとの食い違いを軽減する結果が得られ、高多重度小スケール系における顕著な熱的光子生成を予測し、QGP形成のシグネチャを提供する。

ABSTRACT

The theoretical developments in the study of electromagnetic radiation in relativistic heavy-ion collisions are reviewed. The recent progress in the rates for photon and lepton pair production is discussed. Together with the improvements in the hydrodynamic descriptions of the bulk medium, the combined effort is discussed to resolve the "direct photon flow puzzle" in the RHIC and the LHC experiments. Further prediction of the direct photon production in high multiplicity proton-nucleus collisions at the LHC energy can serve as a signature of the quark gluon plasma formation in these small systems. Phenomenological study of dilepton production at finite net baryon density is highlighted at the collision energies available for the RHIC beam energy scan program.

研究の動機と目的

• RHICおよびLHC実験で観測される低運動量の直接光子生成率と非等方的流れの低予測という長年の『直接光子の流れのパズル』を解消すること。
• QCDの次次項補正（NLO）、バリオン寄与、およびQGPおよびハドロンガス相における非平衡効果を含めた、光子生成率の理論的モデルの改善。
• イベントごとの流体力学的フラクチュエーションおよび非平衡ダイナミクスが直接光子観測量に与える影響の評価。
• 高多重度陽子-核衝突における直接光子が、クォーク-グルーオンプラズマ（QGP）形成のプローブとしての可能性を検討すること。
• ビームエネルギースキャン計画における有限なネットバリオン密度下での二重レプトン生成を、QCD物質の性質のプローブとして調査すること。

提案手法

• 弱結合近似下での次次項（NLO）QCD計算を用いて、クォーク-グルーオンプラズマにおける光子生成率を改善する。
• マス付きヤン・ミルズ枠組みを用いて、ハドロン相におけるメソンガス（π, K, ρ, ω, K*, a₁）からの光子生成を計算する。
• ρメソンのスペクトル関数の外挿およびバリオン励起状態の放射性崩壊を介してバリオン寄与を組み込み、公開済みのパラメータ化を用いる。
• QGPおよびハドロンガス相の両方で2→2散乱過程における異方的運動量分布を用いて、非平衡補正を光子生成率に適用する。
• 初期状態のフラクチュエーションを含むイベントごとの流体力学的シミュレーションを実装し、火球の時空的進化とその光子生成への影響をモデル化する。
• 改善された生成率と流体力学的流れを組み合わせ、径方向流れや初期化学的非平衡状態の効果を含めた、直接光子スペクトルおよび非等方的流れ係数を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次次項QCD補正およびバリオン寄与は、高温QCD物質における熱的光子生成率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 剪断粘性および異方的運動量分布に起因する非平衡補正は、予測される直接光子の非等方的流れをどの程度軽減するか？
• RQ3 初期状態のフラクチュエーションを含むイベントごとの流体力学的シミュレーションは、RHICおよびLHCで観測された増強された低pT直接光子生成率を説明できるか？
• RQ4 高多重度p+Pbおよびp+Au衝突における直接光子生成率および非等方的流れはどの程度であり、QGP形成のシグネチャとして機能するか？
• RQ5 流体力学的進化中にネットバリオン拡散が二重レプトンの非等方的流れに与える影響は何か？また、これはバリオン豊富な物質における輸送特性のプローブとして利用可能か？

主な発見

• NLO QCD補正により、αs = 0.3の条件下で熱的光子生成率は約20%増加し、leading-order結果と類似の関数的形態を示す。
• 150–200 MeVの温度範囲において、1.5 GeV未満の光子エネルギーでは、バリオン寄与がハドロン相の熱的光子スペクトルの主な寄与となり、3 GeV未満で全スペクトルの最大60%を占める。
• 剪断粘性に起因する非平衡補正により、予測される直接光子の非等方的流れが低減され、これにより媒体の比剪断粘性に感度があることが示唆される。
• 初期状態のフラクチュエーションを含むイベントごとの流体力学的シミュレーションは、特に中央衝突において熱的光子生成を増強し、実験データとの整合性を向上させる。
• 0–1%中央p+Pb衝突では、pT < 2.5 GeVの範囲で、熱的QGP光子生成はプロンプト光子の2倍に達すると予測され、直接光子の楕円および三角形流れはPb+Pb結果と同等の大きさを示す。
• 最小断面積p+Pb衝突では、pT < 3 GeVの範囲で熱的光子が直接光子のR_{pA}を約50%増加させ、現在のd+Au測定結果と整合的である。