[論文レビュー] Statistical Model of the Early Stage of nucleus-nucleus collisions with exact strangeness conservation

Roman V. Poberezhnyuk, M. Gaździcki+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2015

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、小スケール系（p+pおよび軽い核など）における正確なストレンジネス保存をCanonical Ensemble（CE）を用いて実装することで、Statistical Model of the Early Stage（SMES）を拡張した。これにより、低エネルギー領域におけるストレンジネス生成の正確なモデル化が可能になった。SPSエネルギーにおけるp+p衝突では、CEはGCEと比較してストレンジネス対エントロピー比を最大で2倍まで抑制し、NA61/SHINEの観測結果における抑制を、SMESの枠組み内で新物理を必要とせず説明可能となった。

ABSTRACT

The Statistical Model of the Early Stage, SMES, describes a transition between confined and deconfined phases of strongly interacting matter created in nucleus-nucleus collisions. The model was formulated in the late 1990s for central Pb+Pb collisions at the CERN SPS energies. It predicted several signals of the transition (onset of deconfinement) which were later observed by the NA49 experiment. The grand canonical ensemble was used to calculate entropy and strangeness production. This approximation is valid for reactions with mean multiplicities of particles carrying conserved charges being significantly larger than one. Recent results of NA61/SHINE on hadron production in inelastic p+p interactions suggest that the deconfinement may also take place in these reactions. However, in this case mean multiplicity of particles with non-zero strange charge is smaller than one. Thus for the modeling of p+p interactions the exact strangeness conservation has to be implemented in the SMES. This extension of the SMES is presented in the paper.

研究の動機と目的

• 元々のSMESがグランドカノニカルエンsembles（GCE）を用いていたため、平均ストレンジ粒子多重度が1未塔の小スケール系（p+p衝突など）におけるストレンジネス生成のモデル化に限界があることに対処すること。
• NA61/SHINEが観測した非単調なエネルギー依存性を示す非弾性p+p衝突におけるK⁺/π⁺比の起源が、SMESフレームワーク内での脱コンfinementの始動によって説明可能かどうかを調査すること。
• 有限体積系における保存量子数（ストレンジネスを含む）の適切な取り扱いを保証するため、SMESに正確なストレンジネス保存をCanonical Ensemble（CE）を用いて実装すること。
• SPSエネルギー範囲にわたるp+pおよび中央部Pb+Pb衝突におけるストレンジネス対エントロピー比を比較し、特に混合相領域を対象とすること。

提案手法

• モデルは、ストレンジネス量子数の正確な保存を強制するため、元々のSMESで用いられていたグランドカノニカルエンsembles（GCE）に代えて、Canonical Ensemble（CE）を用いる。
• CEの定式化により、ストレンジ粒子および反ストレンジ粒子の総数が固定され、すべてのストレンジクォークおよび反ストレンジクォーク数の和がゼロとなるように保証される。
• 系は、固定エネルギー、体積、保存電荷（ストレンジネスを含む）の制約下で最大エントロピーの熱的集合体として取り扱われ、分配関数の計算には鞍点近似が用いられる。
• p+p（Ap=1）、3He+3He（Ap=3）、5Li+5Li（Ap=5）衝突におけるストレンジネス対エントロピー比のエネルギー依存性を計算し、GCE極限（Ap≫1）と比較する。
• CEにおけるストレンジネス生成のGCEに対する抑制度を定量化するため、二重比 r = [nˢ/s]_CE / [nˢ/s]_GCE を計算する。
• 結果は、√sNN ≈ 7.3 GeVの混合相領域を中心に提示され、低エネルギー（5 GeV）および高エネルギー（20 GeV）での比較によりエネルギー依存性の評価が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SMESに正確なストレンジネス保存を組み込むことで、SPSエネルギーにおける非弾性p+p衝突で観測されたK⁺/π⁺比の抑制が説明可能となるか？
• RQ2 小スケール系における参加粒子数（Ap）に応じて、Canonical Ensembleによるストレンジネス対エントロピー比の抑制はどのように変化するか？
• RQ3 GCEと比較して、CEを用いた場合のp+p衝突におけるストレンジネス対エントロピー比のエネルギー依存性の予測は、どの程度変化するか？
• RQ4 正確なストレンジネス保存を施したSMESは、NA61/SHINEがp+p衝突で観測したK⁺/π⁺比の「ほんのりした谷」構造を定量的に再現できるか？
• RQ5 同じエネルギー条件下で、p+p衝突におけるストレンジネス抑制の大きさは中央部Pb+Pb衝突と比べてどの程度で、衝突エネルギーにどのように依存するか？

主な発見

• √sNN ≈ 7.3 GeVにおけるp+p衝突では、Canonical Ensemble（CE）は、グランドカノニカルエンsembles（GCE）と比較してストレンジネス対エントロピー比を約2倍に抑制する。
• 抑制効果は低エネルギーおよび小スケール系で最も強く、参加粒子数（Ap）が増加するにつれて著しく減少する。
• Ap > 10では、CEによる抑制は無視できるほど小さくなり、CEの結果はGCE極限に近づく。これは、中央部Pb+Pb衝突ではGCEが良好な近似であることを示している。
• CEを用いて計算されたp+p衝突におけるストレンジネス対エントロピー比のエネルギー依存性は、NA61/SHINEが観測した実験的K⁺/π⁺比と定性的に類似している。
• Ap=1のとき、特に5 GeVのような低エネルギー領域では、二重比 r = [nˢ/s]_CE / [nˢ/s]_GCE が著しく1未満であることが判明し、小スケール系における強い抑制が示された。
• モデルは、混合相領域（√sNN ≈ 7–11 GeV）におけるp+p衝突のストレンジネス対エントロピー比が中央部Pb+Pb衝突と比較して約2倍小さいと予測している。