[論文レビュー] Thermalization of dense hadronic matter in Au + Au collisions at the energies available at FAIR

Somnath De, Sudipan De+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2015

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、FAIRエネルギー（10–40 A GeV）における中心的Au+Au衝突で形成される密度の高いハドロン物質における熱化 timescale を、UrQMD輸送モデルを用いて調査した。局所的熱力学的平衡は約1–2 fm/cのうちに達成され、圧力の等方化とエネルギースペクトルの熱化がほぼ同時に進行し、30 A GeVにおけるエントロピーの時間発展は理想流体力学に非常に近いものであり、高密度のバリオン物質に流体的挙動が見られることが示された。

ABSTRACT

The conditions of local thermodynamic equilibrium of baryons (non-strange, strange) and mesons (strange) are presented for central Au + Au collisions at FAIR energies using the microscopic transport model UrQMD. The net particle density, longitudinal-to-transverse pressure anisotropy and inverse slope parameters of the energy spectra of non-strange and strange hadrons are calculated inside a cell in the central region within rapidity window $|y| < 1.0$ at different time steps after the collision. We observed that the strangeness content is dominated by baryons at all energies, however contribution from mesons become significant at higher energies. The time scale obtained from local pressure (momentum) isotropization and thermalization of energy spectra are nearly equal and found to decrease with increase in laboratory energy. The equilibrium thermodynamic properties of the system are obtained with statistical thermal model. The time evolution of the entropy densities at FAIR energies are found very similar with the ideal hydrodynamic behaviour at top RHIC energy.

研究の動機と目的

• 中心的Au+Au衝突におけるFAIRエネルギーで生成される高密度バリオン物質における局所的熱平衡に至る時間スケールを特定すること。
• 高バリオン密度で形成される密度の高いハドロン物質が、流体力学モデルが要求するように局所的熱力学的平衡に達するかどうかを評価すること。
• 中心迅速度領域における非ストレンジおよびストレンジバリオンおよびメソンの熱化ダイナミクスを比較すること。
• エントロピー密度の時間発展を評価し、理想流体力学的挙動と比較することで、系の流体性を推定すること。
• 平衡に達した後、統計的熱力学モデルを用いて温度（T）、バリオン化学ポテンシャル（μB）、ストレンジネス化学ポテンシャル（μS）を抽出すること。

提案手法

• 10A、20A、30A、40A GeVにおける中心的Au+Au衝突をシミュレートするために、デフォルトのカスケードモードを用いた超相対論的量子分子動力学（UrQMD）モデルを採用した。
• |y| < 1.0 の領域における8 fm³のセル内で、ネットバリオン密度およびメソン密度の時間発展、縦方向対横方向圧力の非等方性、エネルギースペクトルの逆勾配パラメータを分析した。
• 圧力非等方性比（P_L/P_T）を用いて、運動量の等方化を指標として用い、熱化の開始を追跡した。
• エネルギースペクトルの逆勾配パラメータを追跡することで、粒子運動量分布の熱化度を評価した。
• 平衡に達した後、統計的熱力学モデルを適用し、粒子スペクトルから温度（T）、バリオン化学ポテンシャル（μB）、ストレンジネス化学ポテンシャル（μS）を抽出した。
• エントロピー密度の時間発展を、√sNN = 200 GeVにおけるパラメータ化された理想流体力学モデル（τ⁻².⁶ スケーリング）と比較することで、流体的挙動の有無を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心的Au+Au衝突におけるFAIRエネルギーでの高密度ハドロン物質の局所的熱平衡に至る時間スケールは何か？
• RQ2 非ストレンジおよびストレンジバリオンおよびメソンの熱化時間はどのように比較されるか。また、熱化速度に階層があるか？
• RQ3 特に高バリオン密度条件下で、系のエントロピー密度発展はどの程度理想流体力学的挙動に類似しているか？
• RQ4 統計的熱力学モデルから抽出された熱力学的パラメータ（T、μB、μS）は、経験的凍結アウト関係とどの程度一致するか？
• RQ5 自己粘性率とエントロピー密度比（η/s）は観察された流体的挙動に影響を及ぼすか。また、ビームエネルギーに応じてどのように変化するか？

主な発見

• 中心領域では、局所的熱力学的平衡が約1–2 fm/cのうちに達成され、圧力非等方性（P_L/P_T）が1に近づく。
• 圧力の等方化とエネルギースペクトルの熱化（逆勾配パラメータによる評価）の時間スケールはほぼ同一であり、ストレンジバリオンは非ストレンジバリオンに比べてわずかに遅延（約0.5 fm/c）を示す。
• ネットバリオン密度は30–40 A GeVでピークに達し、すべてのエネルギーでストレンジネスはバリオンに支配的であるが、高エネルギー域ではメソン（カイオン）の寄与が顕著になる。
• 30 A GeVにおけるエントロピー密度発展は、√sNN = 200 GeVにおける理想流体力学のτ⁻².⁶ スケーリングに非常に近い。これは流体的挙動を示唆する。
• 10 A GeVでは、エントロピー密度の減少が理想流体力学の限界よりも速く進行しており、より低いη/s比を示唆し、より理想流体的挙動である可能性がある。
• 統計的熱力学モデルを用いて抽出された熱力学的パラメータ（T、μB、μS）は、T–μB平面における経験的凍結アウトトレンドと整合的である。