[論文レビュー] Thermal photon production from gluon fusion induced by magnetic fields in relativistic heavy-ion collisions

Alejandro Ayala, Jorge David Castaño‐Yepes+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2016

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、相対論的重イオン衝突の初期段階における強い磁場が誘導するグルーオン融合によって、相対論的重イオン衝突における熱的光子生成が生じることを提案している。摂動的QCDを用い、磁場中でのクォーク伝播関数を考慮した結果、光子生成断面積は $ (eB)^2/T $ に比例し、$ T \approx 300-350\,\text{MeV} $、$ eB \sim 10^4\,\text{MeV}^2 $、$ g=1 $ の現実的なパラメータを用いることで、RHICおよびLHCの実験的過剰光子データと非常に良好に一致する。これは、磁場誘導過程が観測された光子過剰の起源である可能性を支持する。

ABSTRACT

We compute the production of thermal photons in relativistic heavy-ion collisions by gluon fusion in the presence of an intense magnetic field, and during the early stages of the reaction. This photon yield is an excess over calculations that do not consider magnetic field effects. We add this excess to recent hydrodynamic calculations that are close to describing the experimental transverse momentum distribution in RHIC and LHC. We then show that with reasonable values for the temperature, magnetic field strength, and strong coupling constant, our results provide a very good description of such excess. These results support the idea that the origin of at least some of the photon excess observed in heavy-ion experiments may arise from magnetic field induced processes.

研究の動機と目的

• 相対論的重イオン衝突の初期段階に存在する強い磁場が、標準的な流体力学的モデルを超えて追加の熱的光子生成を誘導するかどうかを調査すること。
• 磁場の存在下でのグルーオン融合が、低横運動量光子スペクトルの観測された過剰に寄与する割合を定量化すること。
• 磁場誘導光子放出が、低 $ p_T $ における実験データと流体力学的計算との乖離をどの程度説明できるかを特定すること。
• 磁場が、観測された光子の過剰生成および光子の方位分布における大きな $ v_2 $ コefficient の生成に果たす役割を評価すること。

提案手法

• 著者らは、磁場中でのクォーク伝播関数を修正したフェルミオン図を用いて、グルーオン融合による熱的光子生成の振幅を計算した。
• クォーク伝播関数を定常磁場中で表現するために、シュヴィンガーの固有時形式を用い、ランダウ準位と場依存位相因子を組み込んだ。
• 電荷が $ q_u = 2|e|/3 $、$ q_d = |e|/3 $ の2つの軽いクォークのフレーバーを含み、ベクトルポテンシャルに対して対称ゲージを用いた。
• 最終的な光子生成断面積は、行列要素の二乗を初期スピンおよび色で平均し、グルーオンに熱分布を適用してフェーズスペースに積分することで得られた。
• 結果は、$ T $、$ eB $、結合定数 $ g $ に依存する正規化された横運動量分布 $ dN/(2\pi N r_t dr_t) $ として表現され、グルーオンの熱的質量に起因する非自明な $ 1/T $ 依存性を示した。
• ベースライン光子スペクトルを既に説明する最近の流体力学モデルに、これを過剰分として加えることで実験データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場が誘導するグルーオン融合過程が、重イオン衝突における低横運動量領域での観測された熱的光子過剰を説明できるか。
• RQ2 強磁場下でのグルーオン融合による光子生成断面積の大きさと $ p_T $ 依存性は何か。
• RQ3 このメカニズムにおいて、光子生成断面積は温度、磁場強度、結合定数のどの程度に依存するか。
• RQ4 このメカニズムが、光子の方位分布で観測された大きな $ v_2 $ コefficient をどの程度説明できるか。

主な発見

• 磁場中でのグルーオン融合による光子生成断面積は $ (eB)^2/T $ に比例し、グルーオンの熱的質量が分母に寄与する非自明な $ 1/T $ 依存性を示した。
• RHIC（0–20%および20–40%の中心性）およびLHC（20–40%の中心性）の両方の実験データにおいて、$ T = 300\,\text{MeV} $（RHIC）および $ T = 350\,\text{MeV} $（LHC）を用いることで、観測された過剰と非常に良好に一致した。
• LHC 20–40%中心性の場合、モデルがわずかにデータを上回っているが、これは過剰を定義するために用いられた基準となる流体力学モデルの過剰見積もりに起因する可能性がある。
• 強い結合定数 $ g $ に対してはわずかな感度しか示さず、$ g=1 $ が両コライダーエネルギーで良好なフィットを示した。
• 生成断面積は反応の空間的・時間的領域に依存しないが、磁場強度 $ eB $ を通じて衝突の中心性に依存する。
• 本研究は、重イオン衝突における観測された光子過剰の一部が、衝突の初期段階における高温・高密度状態で磁場誘導過程に起因する可能性を支持する。