[論文レビュー] Thermal and hard scales in transverse momentum distributions, fluctuations and entanglement

Xabier Feal, C. Pajares+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2020

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 52被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、高エネルギー衝突における有効熱温度が、ハードスケール（UVカットオフ）とそのフラクチュエーションの相互作用によって生じることを提案し、pp、pPb、XeXe、PbPb系における横運動量スペクトルを統一的に記述する。全エネルギーおよび中央度において、普遍的な線形関係 Tth ≈ Th/(k+1) が得られ、良好な一致を示しており、小スケールおよび大スケール系の両方における熱化を支配するのはエンタングルメントおよびクエンチダイナミクスである可能性を示唆している。

ABSTRACT

We analyze the transverse momentum distributions of pp, pPb, XeXe and PbPb collisions at different RHIC and LHC energies and centralities as well as the corresponding distributions for Higgs production decaying into $\gamma\gamma$ and 4l. A simple linear relation is found between the effective thermal temperature and the hard scale, approximately valid for all processes and mainly determined by the hard scale fluctuations. In order to go further, it is shown that the whole spectrum of pp collisions can be described by a single function showing that the thermal temperature is determined solely by the hard scale and its fluctuations. The possible relation between the multiplicities of the soft and hard scales is explored.

研究の動機と目的

• 小スケール系（pp衝突など）における顕在的熱的挙動の起源を理解すること、ここで流体力学的説明は疑わしい。
• 多様な衝突系における有効熱温度 Tth とハードスケール Th の関係を調査すること。
• 熱スペクトルが量子場のエンタングルメントおよびクエンチダイナミクスに起因するかどうかを検証すること。
• 異なるエネルギーおよび中央度において、Tth とクエンチされたハードスケール Th/(k+1) の間の普遍的関係を確立すること。
• パートオン数のフラクチュエーションが有効温度を決定する役割を調査すること。

提案手法

• 横運動量分布（TMD）を、指数関数的およびパワー則関数の組み合わせでフィット：dN/dp⊥ ∝ A_te^{-m⊥/Tth} + A_h(1 + m⊥^2/kT_h^2)^{-k}。
• RHICおよびLHCにおけるpp、pPb、XeXe、PbPb、およびヒッグス崩壊データから Tth、Th、k を抽出する。
• 衝突エネルギーおよび多重度にわたる Tth とクエンチされたハードスケール Th/(k+1) 間の関係を分析する。
• エンタングルメント形式を用いる：初期状態 |Ψ⟩ = Σn αn |ΨH_n⟩ ⊗ |ΨS_n⟩ から、縮約密度行列 ρH = Σn |αn|2 |ΨH_n⟩⟨ΨH_n| が得られ、|αn|2 = pn はパートオン数のフラクチュエーションを表す。
• τ ∼ 1/p⊥ における急速なクエンチが、Th およびそのフラクチュエーションに依存する有効温度 Tth を持つ高励起状態を生成するとモデル化する。
• 異なる系における結果を比較し、Tth ≈ Th/(k+1) 関係の普遍性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー衝突における有効熱温度 Tth が、ハードスケール Th 及びそのフラクチュエーションと普遍的に関係しているか？
• RQ2 関係式 Tth ≈ Th/(k+1) は、pp、pPb、XeXe、PbPb などの異なる系およびエネルギーで成り立つか？
• RQ3 pp 衝突の全横運動量スペクトルは、Th 及びそのフラクチュエーションに基づく単一の関数で記述可能か？
• RQ4 パートオン数のフラクチュエーション（pn）は、観測される熱的挙動にどのように影響するか？
• RQ5 小スケール系における観測された熱化は、量子場理論におけるエンタングルメントおよびクエンチダイナミクスによって説明可能か？

主な発見

• pp、pPb、XeXe、PbPb 衝突において、全エネルギーおよび中央度で普遍的な関係 Tth ≈ Th/(k+1) が得られ、非常に低多重度のpp事象を除いては偏差はほとんどない。
• √s = 13 TeV のpp衝突では、Tth = 0.181 GeV であり、Th/(k+1) = 0.181 GeV と完全に一致している。
• √s = 5.02 TeV のpPb衝突では、Tth = 0.156 GeV であり、Th/(k+1) = 0.156 GeV と関係が確認された。
• γγおよび4lへのヒッグス崩壊では、Tth = 3.5 ± 0.7 GeV であり、Th/(k+1) = 3.1 ± 0.4 GeV と誤差内に一致している。
• 有効温度 Tth は、ハードスケール Th およびパートオン数の正規化フラクチュエーションにのみ依存し、エンタングルメントクエンチモデルの予測通りである。
• RHICからLHCのエネルギーにわたる全pp p⊥スペクトルが、Th 及びそのフラクチュエーションに基づく単一の普遍的関数で記述可能である。