[論文レビュー] Studies of dense nuclear matter at NICA

Peter Senger|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、NICA衝突装置が、中性子星の核心密度に相当する高密度核物質を実験室で初めて探査可能にすると提案している。高エネルギー重イオン衝突を用いてQCD相図を調査し、集団的流れ、二重レプトン対、多 strange ハイパーフォン、およびcharm粒子の測定によって、一次相転移の臨界点を検出するとともに、クォーク・ハドロン連続性および手術的対称性の回復のモデルを検証することを目的としている。

ABSTRACT

Laboratory experiments with high-energetic heavy-ion collisions offer the opportunity to explore fundamental properties of nuclear matter, such as the high-density equation-of-state, which governs the structure and dynamics of cosmic objects and phenomena like neutron stars, supernova explosions, and neutron star mergers. A particular goal and challenge of the experiments is to unravel the microscopic degrees-of-freedom of strongly interaction matter at high density, including the search for phase transitions, which may feature a region of phase coexistence and a critical endpoint. As the theory of strong interaction is not able to make firm predictions for the structure and the properties of matter high baryon chemical potentials, the scientific progress in this field is driven by experimental results. The mission of future experiments at FAIR and NICA, which will complement the running experimental programs at GSI, CERN, and RHIC, is to explore new diagnostic probes, which never have been measured before at collision energies, where the highest net-baryon densities will be created. The most promising observables, which are expected to shed light on the nature of high-density QCD matter, comprise the collective flow of identified particles including multi-strange (anti-) hyperons, fluctuations and correlations, lepton pairs, and charmed particles. In the following, the perspectives for experiments in the NICA energy range will be discussed.

研究の動機と目的

• 高バリオン化学ポテンシャルにおける極限的状態下での高密度核物質の性質を調査すること。
• QCD相図における一次相転移およびその臨界点の存在を調査すること。
• 中性子星におけるクォークヨニック物質やハイドロン・クォーク物質混合相といった異常な相の形成を研究すること。
• 集団的流れ、二重レプトン、ハイパーフォン生成といった診断観測量を測定し、高密度状態方程式を制約すること。
• 手術的対称性回復やハイパーフォン相互作用を含む、高密度物質内でのハドロンの性質の理解を深めること。

提案手法

• NICAで高エネルギー重イオン衝突を用い、中性子星の核密度と同等のネットバリオン密度を生成すること。
• 時間投影連続器（TPC）、インナートラッキングシステム（ITS）、飛行時間（TOF）検出器を備えた多目的検出器（MPD）を用い、粒子同定およびバーテックス再構築を行うこと。
• 識別された粒子、特に多 strange （反）ハイパーフォンの集団的流れを測定し、状態方程式および相転移を調べること。
• 高い不変質量を持つ二重レプトン対を分析し、カロリック曲線を抽出し、臨界的挙動を検出すること。
• ネットプロトンおよびネットカリオン分布などの観測量におけるイベントごとのフラクチュエーションを分析し、臨界点を特定すること。
• ITSを用いて、短寿命の崩壊（例：Λc⁺ 60 μm、D⁰ 123 μm）を介したハイパーフォン（Λ、Ξ、Ω）およびcharm粒子（D⁰、D±）の崩壊頂点を再構築すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高バリオン化学ポテンシャルにおけるQCD相図に、一次相転移に伴う臨界点が存在するか？
• RQ2 多 strange ハイパーフォンおよびその生成ダイナミクスは、脱コンfinementの始まりを調べる上でどのような役割を果たすか？
• RQ3 二重レプトンスペクトルおよびその不変質量勾配は、QCD相転移に関連する臨界的挙動を明らかにできるか？
• RQ4 ハイパーフォン-核子およびハイパーフォン-ハイパーフォン相互作用は、高密度物質におけるハイパーヌクレオの安定性および形成にどのように影響するか？
• RQ5 流れやフラクチュエーションといった実験的観測量が、高密度QCD相構造を一貫した図式で示すまでの程度はどの程度か？

主な発見

• NICAのエネルギー範囲は、実験的に達成可能な最高のネットバリオン密度を生み出し、中性子星の核密度に相当する4–7 ρ₀に達する。
• 計算では、106 AGeVの中心的衝突において、軽い（二重）ラムダハイパーヌクレオの生成量が最大に達し、NICAエネルギー範囲でピークを示す。これはハイパーフォンと軽い核の生成に働く競合効果によるものである。
• NICAのMPD検出器は、識別された粒子および多 strange ハイパーフォンの楕円的流れを測定する設計となっており、高密度状態方程式の感受性を示す優れたプローブである。
• NICAでの二重レプトン測定は、QCD物質のカロリック曲線を明らかにするものであり、イベントごとのフラクチュエーションの最大値が臨界点の兆候である可能性がある。
• インナートラッキングシステム（ITS）は、短い崩壊長（例：Λc⁺ 60 μm、D⁰ 123 μm）の正確な再構築を可能にし、charmおよびハイパーフォン共鳴状態の同定に不可欠である。
• 流れ、二重レプトン、フラクチュエーションといった複数の観測量からの一貫性のある結果が得られれば、高密度バリオン物質における一次相転移の強力な証拠が得られるだろう。