[論文レビュー] Relativistic kinetic approach to light nuclei production in high-energy nuclear collisions

Kai-Jia Sun, Rui Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2021

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 43被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、高エネルギー核反応における核の生成を記述するため、光核の有限サイズを組み込んだ相対論的運動論的手法を開発した。確率的手法を用いて運動論方程式を解き、核子クラスタリングのダイナミクスを組み込むことで、RHICおよびLHCエネルギーにおけるAu+Auおよびpp反応におけるドデュウロンおよびヘリウム-3の横運動量スペクトルを正確に再現した。これにより、小スケール系における光核生成の長年の謎である抑制が解消された。

ABSTRACT

Understanding the production mechanism of light (anti-)nuclei in high-energy nuclear collisions and cosmic rays has been a long-standing problem in nuclear physics. In the present study, we develop a stochastic method to solve the relativistic kinetic equations for light nuclei production from many-body reactions with the inclusion of their finite sizes. The present approach gives an excellent description of the deuteron and helium-3 data from central Au+Au (Pb+Pb) collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ $=$ $200~ m GeV$ ($2.76~ m TeV$). It can also naturally explain their suppressed production in $pp$ collisions at 7 TeV as a result of their finite sizes.

研究の動機と目的

• pp反応のような小スケール系において、有限サイズ効果が無視できない状況で、抑制された光（反）核生成という長年の謎を解明すること。
• 形成および崩壊過程において、ドデュウロンや$^3$Heのような光核の空間的広がりを考慮する相対論的運動論フレームワークを構築すること。
• 統計的ハドロン化モデルや位相空間凝集モデルに比べ、有限サイズ効果を組み込んだ動的で多数体反応率を導入することで、それらを改善すること。
• ハドロン化とその後のハドロン的再散乱が、大スケールおよび小スケール系の両方における光核の最終生成量に果たす相対的寄与を明確にすること。
• Au+Au、Pb+Pb、ppの異なる系を統一的に記述する光核生成の記述を提供すること。この記述は、系のサイズに依存する抑制を考慮している。

提案手法

• 閉じた時間経路における時序緑関数から導かれた相対論的運動論方程式を用い、密度の高いハドロン物質内での多数体ダイナミクスを体系的に取り扱えるようにした。
• 複雑な多数体反応（光核とその崩壊チャネルを含む）を扱えるように、運動論方程式を確率的シミュレーション法で解いた。
• グリーン関数の勾配展開を用いて、クラスタ内の核子間の相対座標を明示的に保持することで、光核の有限サイズ効果を組み込んだ。
• 反応$\pi d \leftrightarrow \pi NN$の遷移振幅を評価する際、デュートリオン内の1つの核子が撃たれ、もう1つが準自由であると仮定したインパルス近似を適用した。
• 初期ハドロン分布は、MUSIC流体力学モデルまたはAMPT輸送モデルから生成され、系の現実的な時空的進化を提供した。
• 本モデルは、QGPのハドロン化と、凍結後のハドロン的再散乱の両方を扱い、有限サイズ効果を含めた場合、生成量が初期条件に敏感であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 7 TeVのpp反応において、高エネルギー核反応で生成されるにもかかわらず、なぜドデュウロンや$^3$Heのような光核が抑制されるのか？
• RQ2 密度の高いハドロン物質内において、光核の有限空間的サイズが、その形成および崩壊率にどのように影響するのか？
• RQ3 初期条件（例えば、ハドロン化時の光核生成量）が、ppのような小スケール系における最終観測スペクトルに、どの程度影響を与えるのか？
• RQ4 有限サイズ効果を含む動的運動論モデルが、中央部のAu+Au/Pb+Pbおよびpp反応における$d$および$^3$Heの実験的$p_T$スペクトルを再現できるか？
• RQ5 小スケール系における光核生成に、ハドロン化とハドロン的再散乱のどちらがより大きな寄与をしているのか？

主な発見

• pp反応におけるドデュウロンおよび$^3$Heの抑制された$p_T$スペクトルを再現するには、運動論モデルに有限サイズ効果を組み込むことが不可欠であり、核を点粒子とみなした場合、それらのスペクトルは過剰に予測される。
• 中央部のAu+AuおよびPb+Pb反応（$\sqrt{s_{\rm NN}} = 200~{\rm GeV}$および$2.76~{\rm TeV}$）において、モデルは$d$および$^3$Heの測定済み$p_T$スペクトルを、全横運動量領域で良好に再現した。
• pp反応における$d$および$^3$Heの最終生成量は、有限サイズ効果を含めた場合、ハドロン化時の初期生成量に敏感であるが、大スケール系では長時間のハドロン的進化のため初期条件が洗練されてしまう。
• モデルは、pp反応では短時間スケール（数fm/$c$）ではハドロン的再散乱率が化学的平衡に達しないことを示しており、初期条件と有限サイズ効果が最終生成量に重要であることを示している。
• pp反忡応の予測における理論的不確実性（図3(d)の色分け帯で示される）は、主に小スケール系における正準効果の影響を受ける初期$d$および$^3$He生成量に起因している。
• 本モデルは、統計的ハドロン化モデルや凝集モデルの動的代替手段を提供し、均一で熱平衡状態に近い物質の極限ではそれらに還元される。