[論文レビュー] Sensitivity of Au+Au collisions to the symmetric nuclear matter equation of state at 2 -- 5 nuclear saturation densities

Dmytro Oliinychenko, Agnieszka Sorensen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、相対論的重イオン衝突（Au+Au、1–20 GeV/核子）とハドロン輸送モデルを用いて、核密度の2–4倍のバリオン密度（n₀）における対称核物質の状態方程式（EOS）を調査する。目標とする音速のプロファイルを再現するためにベクトル平均場ポテンシャルを調整したモデルは、STARが測定した陽子およびπ粒子の流れデータ（√sNN = 3.0および4.5 GeV）から、2–3n₀では剛性のEOSが得られ、3–4n₀ではおそらく相転移の兆候が示唆される。確認にはさらなるデータが必要である。

ABSTRACT

We demonstrate that proton and pion flow measurements in heavy-ion collisions at incident energies ranging from 1 to 20 GeV per nucleon in the fixed target frame can be used for an accurate determination of the symmetric nuclear matter equation of state at baryon densities equal 2--4 times nuclear saturation density $n_0$. We simulate Au+Au collisions at these energies using a hadronic transport model with an adjustable vector mean-field potential dependent on baryon density $n_B$. We show that the mean field can be parametrized to reproduce a given density-dependence of the speed of sound at zero temperature $c_s^2(n_B, T = 0)$, which we vary independently in multiple density intervals to probe the differential sensitivity of heavy-ion observables to the equation of state at these specific densities. Recent flow data from the STAR experiment at the center-of-mass energies $\sqrt{s_{NN}} = \{3.0, 4.5 \}\ $ GeV can be described by our model, and a Bayesian analysis of these data indicates a hard equation of state at $n_B \in (2,3) n_0$ and a possible phase transition at $n_B \in (3,4) n_0$. More data at $\sqrt{s_{NN}} = 2-5$ GeV, as well as a more thorough analysis of the model systematic uncertainties will be necessary for a more precise conclusion.

研究の動機と目的

• 重イオン衝突からの実験的流れデータを用いて、高バリオン密度（2–4n₀）における対称核物質の状態方程式（EOS）を特定すること。
• 流れ観測量が、物質内の異なる密度区間における音速の二乗（cₛ²）にどの程度感度を持つかを評価すること。
• STARが提供する√sNN = 3.0および4.5 GeVのデータが、2–4n₀範囲におけるEOSを制約できるか、およびおそらくの相転移を検出できるかをテストすること。
• 特に断面積スケーリングに起因するモデルの不確実性を評価し、そのEOS推定に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 固定標的フレームにおける1–20 GeV/核子のAu+Au衝突をシミュレートするために、ハドロン輸送モデル（SMASHベース）を用いる。
• 2–4n₀の区間で密度依存の音速の二乗（cₛ²(nB, T=0)）を再現するために、ベクトル平均場ポテンシャルを調整する。
• STAR実験が測定した√sNN = 3.0および4.5 GeVにおける陽子およびπ粒子の流れ観測量（v₁およびv₂）へのフィットを通じて、モデルのパラメータを制約する。
• 流れ観測量にベイズ推論を適用し、特に2–4n₀範囲におけるcₛ²のパラメータの事後分布を抽出する。
• 断面積スケーリング（0.6–1.4）に起因する系の不確実性をテストし、推定されたcₛ²におけるモデル依存の誤差を推定する。
• 圧力とエネルギー密度をモデルの平均場および運動的寄与から計算し、cₛ² = (dP/dnB)/(dε/dnB) の式を用いて音速の二乗を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1–20 GeV/核子のAu+Au衝突における陽子およびπ粒子の流れ観測量は、核密度の2–4倍のバリオン密度における対称核物質の状態方程式を制約できるか？
• RQ2 流れ観測量は、2–3n₀および3–4n₀という異なる密度区間における音速の二乗（cₛ²）にどの程度感度を持つか？
• RQ3 STARが提供する√sNN = 3.0および4.5 GeVのデータは、2–4n₀範囲で剛性の状態方程式またはおそらくの相転移を示唆しているか？
• RQ4 モデルの不確実性、特に断面積スケーリングに起因するものによって、推定されたEOSおよびその信頼区間はどの程度影響を受けるか？

主な発見

• STARが提供する√sNN = 3.0および4.5 GeVのデータは、調整済みの平均場ポテンシャルを持つ輸送モデルによってよく再現されている。
• ベイズ解析により、2–3n₀のバリオン密度範囲で高いcₛ²を示す剛性の状態方程式が得られ、硬い核物質の性質と整合的である。
• 3–4n₀範囲では、推定されたcₛ²プロファイルにカーブの急峻な変化（kink）や不連続性が観測され、おそらくの相転移の兆候が示唆される。
• 断面積スケーリング（0.6–1.4）に起因する系の不確実性は、流れ観測量にcₛ²の変化0.2と同等の影響を及ぼし、これが主要な誤差要因であると考えられる。
• モデルが流れデータをよく再現できることから、2–4n₀範囲における高密度EOSのプローブとして流れ観測量が有効であることが裏付けられる。