[論文レビュー] Toward Initial Conditions of Conserved Charges Part II: The ICCING Monte Carlo Algorithm

Carzon, Patrick, Mauricio Martínez+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2019

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、トップコライダーエネルギーにおける重イオン衝突における保存量の初期状態のフラクチュエーション—バリオン数、奇異性、電荷—をモデル化するため、ICCINGモンテカルロアルゴリズムを導入する。初期エネルギー密度上でのグルーオンからクォーク-反クォークへの分裂確率をサンプリングすることで、ICCINGはエネルギー密度とは著しく異なる空間的に相関した電荷分布を生成する。特に、奇異性は初期状態の幾何学に強く関連した増大した偏心度を示す。これにより、クォーク-グルーオンプラズマにおける電荷拡散および輸送の新たなプローブが可能になる。

ABSTRACT

At top collider energies where baryon stopping is negligible, the initial state of heavy ion collisions is overall charge neutral and predominantly composed of gluons. Nevertheless, there can also be significant local fluctuations of the baryon number, strangeness, and electric charge densities about zero, perturbatively corresponding to the production of quark/antiquark pairs. These previously ignored local charge fluctuations can permit the study of charge diffusion in the quark-gluon plasma (QGP), even at top collider energies. In this paper we present a new model denoted ICCING (Initial Conserved Charges in Nuclear Geometry) which can reconstruct the initial conditions of conserved charges in the QGP by sampling a ($g ightarrow q\bar{q}$) splitting probability over the initial energy density. We find that the new charge distributions generally differ from the bulk energy density; in particular, the strangeness distribution is significantly more eccentric than standard bulk observables and appears to be associated with the geometry of hot spots in the initial state. The new information provided by these conserved charges opens the door to studying a wealth of new charge- and flavor-dependent correlations in the initial state and ultimately the charge transport parameters of the QGP.

研究の動機と目的

• 標準的なゼロのネット電荷密度の仮定を超えて、クォーク-グルーオンプラズマの初期状態における保存電荷の初期条件を再構築するモデルの開発を目的とする。
• 高エネルギー重イオン衝突においてバリオン数、奇異性、電荷の局所的フラクチュエーションを無視する既存の流体力学的モデルの限界を克服することを目的とする。
• 空間的に相関した初期電荷分布を生成することで、QGPにおける電荷拡散およびフレーバー依存の相関の研究を可能にすることを目的とする。
• 初期電荷分布、特に奇異性が、バルクエネルギー密度とはどのように異なり、初期状態の幾何学的ホットスポットと相関するかを定量化することを目的とする。

提案手法

• ICCINGアルゴリズムは、モンテカルロ的手法を用いて初期エネルギー密度プロファイル上でのグルーオンからクォーク-反クォークへの分裂確率（$g \rightarrow q\bar{q}$）をサンプリングする。
• エネルギー密度に依存する空間的に変化する分裂レートに基づいて、エネルギーと電荷を再分配する。この再分配は、格子離散化に合わせて正規化が調整されている。
• 電荷密度は、半径 $ r \approx 0.5\,\text{fm} $ のガウス型の電荷沈着プロファイルを用い、$ 0.06\,\text{fm} $ の格子グリッド上では $ 0.48\,\text{fm} $ に調整して、適切な正規化を維持する。
• 電荷密度は、円形領域内のグリッドポイント上で離散化された正規化を用いて計算され、全電荷保存が保証される。
• 幾何スケーリングとMVモデルを組み合わせて、初期エネルギー密度と電荷分布との関係を定式化し、バルク観測量に一致するようにパラメータを調整する。
• パイオン多重度とエントロピー保存に基づくオーダー・オブ・マグニチュードの議論を用いて、分裂レートにおける比例定数 $ a $ を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー重イオン衝突の初期状態において、全体として電荷中性であるにもかかわらず、保存電荷の局所的フラクチュエーション—バリオン数、奇異性、電荷—はどのように生じるのか？
• RQ2 これらの保存電荷の空間的分布は、バルクエネルギー密度プロファイルとどの程度異なるのか？
• RQ3 奇異性は、標準的なバルク観測量と比較して偏心度が高いため、初期状態の幾何学を別個のプローブとして用いることができるか？
• RQ4 有限格子上での離散化効果および正規化は、初期電荷密度の絶対スケールにどのように影響するのか？
• RQ5 初期電荷分布と最終状態の非等方的流れ、または累積量との間には、定量的な関係が存在するのか？

主な発見

• 奇異性分布は、バルクエネルギー密度よりも顕著に高い偏心度を示しており、初期状態の幾何学的ホットスポットと強い相関があることを示している。
• モデルは、1つのクォークの中心部で $ \sim 1\,\text{fm}^{-3} $ のオーダーの局所的電荷密度を生成し、重なり合うクォークではバリオンで $ \sim 3\,\text{fm}^{-3} $ にまで上昇する。
• 電荷密度は、アップクォークの $ +2/3 $ の電荷のおかげで2倍に増加する。一方、2つの重ね合わせたストレンジクォークでは、奇異性密度は $ \sim -6\,\text{fm}^{-3} $ に達する可能性がある。
• 分裂レートにおけるパラメータ $ a $ は、$ \mathcal{O}(100\,\text{fm}^{-1}) $ と推定され、パイオン多重度とエントロピー保存に基づくオーダー・オブ・マグニチュードの期待値と整合的である。
• 離散化効果により、連続的正規化と比較して中心密度が約10%増加し、最終的な正規化はグリッドポイント上の格子和を用いて調整されている。
• ICCINGが生成する初期電荷分布は、エネルギー密度とは自明に関係しない。これにより、QGPにおける電荷輸送および拡散の研究に新たな道が開かれる。