[論文レビュー] Study the early stage of heavy ion collisions with direct photons

Fuming Liu|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2012

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、LHCおよびRHICにおけるPb+PbおよびAu+Au衝突からの直接的光子データを用い、(3+1)次元の理想流体力学を用いて、重イオン衝突の初期状態を調べる。直接的光子は時計の役割を果たし、約1/3 fm/cで熱平衡に達し、約1.5 fm/cで化学平衡に達することを示し、それらの大きな楕円流動（$v_2$）を説明するとともに、$v_3$、$v_4$、$v_5$の高次ハーモニクスを予測し、競合する光子源のテストに用いる。

ABSTRACT

We investigated the information carried by the data of direct photons, ie, the transverse momentum spectrum and the elliptic flow $v_{2}$ from Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}}$=2.76TeV measured at Large Hadron Collider (LHC) and from Au+Au collisions at $\sqrt{s_{NN}}$= 200 GeV measured at Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), in the frame work of (3+1)-dimensional ideal hydrodynamical models constrained with hadronic data. We found those direct photon data may serve as a useful clock at the early stage of heavy ion collisions. The time scales of reaching thermal and chemical equilibrium, extracted from those data, are about 1/3 and 1.5 fm/c, respectively. Thus the large elliptic flow of direct photons is explainable. High order harmonics, ie, $v_3$, $v_4$ and $v_5$, of direct photons from Pb+Pb collisions at 2.76TeV are also predicted, as a further test to compete with those who claim new sources of photons to account for the large elliptic flow of direct photons.

研究の動機と目的

• 直接的光子観測量を用いて、重イオン衝突の初期状態ダイナミクスを調査すること。
• 直接的光子スペクトルおよび流動を用いて、クォーク- gluonプラズマにおける熱的および化学的平衡化の時間スケールを特定すること。
• 直接的光子生成および流動を記述する際に、理想流体力学の妥当性を検証すること。
• 高次光子流動ハーモニクス（$v_3$、$v_4$、$v_5$）を予測し、新しい光子源の対立モデルを区別する基準とする。

提案手法

• ハドロンデータで制約された(3+1)次元の理想流体力学モデルを用いて、重イオン衝突をシミュレートする。
• Pb+Pb（2.76 TeV）およびAu+Au（200 GeV）衝突からの横運動量スペクトルおよび楕円流動（$v_2$）を直接的光子の入力として使用する。
• 実験的直接的光子データへの適合を通じて、流体力学モデルから平衡化時間を抽出する。
• 流体力学フレームワークに基づき、直接的光子の高次流動ハーモニクス（$v_3$、$v_4$、$v_5$）を予測する。
• 予測結果を既存のデータおよび新しい光子源に関する理論的主張と比較し、モデルの一貫性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接的光子データは、重イオン衝突の初期状態における熱平衡化のどの時間スケールを示しているか？
• RQ2 クォーク-グルーオンプラズマにおける化学平衡化は、直接的光子観測量から推定してどの時点で確立されるか？
• RQ3 直接的光子の大きな楕円流動（$v_2$）は、理想流体力学フレームワーク内で一貫して説明可能か？
• RQ4 Pb+Pb衝突（2.76 TeV）における直接的光子の高次流動ハーモニクス（$v_3$、$v_4$、$v_5$）の予測値は何か？
• RQ5 これらの予測は、直接的光子の新しい源を提案する代替モデルを検証するのにとってどのような役割を果たすか？

主な発見

• 直接的光子データから抽出された熱平衡化時間スケールは約1/3 fm/cである。
• 化学平衡化時間スケールは約1.5 fm/cと推定される。
• 直接的光子の大きな楕円流動（$v_2$）は、抽出された平衡化時間を持つ理想流体力学モデルによって一貫して説明できる。
• モデルは、Pb+Pb衝突（2.76 TeV）における直接的光子に対して、顕著な高次流動ハーモニクス $v_3$、$v_4$、$v_5$ を予測する。
• 予測されたこれらの高次ハーモニクスは、標準的な流体力学的源と提案された新しい光子源を区別する定量的テストを提供する。