[論文レビュー] Toward the Semiclassical Theory of the High Energy Heavy Ion Collisions

Edward Shuryak|arXiv (Cornell University)|May 2, 2002

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 42被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、QCD真空からのトンネル効果によって生じるトポロジカルクラスター——量子励起状態——が、RHICにおける高エネルギー重イオン衝突において中心的役割を果たすと提案している。これらは『ミニ爆発』として振る舞い、一様なグルーオン場と即時生成するクォーク-反クォーク対を生成する。これらのクラスターは、QCDトポロジカル障壁の下をトンネルすることで生じ、ジャットクエンチングの増強、流れや $J/\psi$ の衝突断面積におけるイベントごとのフラクチュエーション、熱的平衡とは整合しない早期のクォーク生成をもたらす。

ABSTRACT

Sudden deposition of energy at the early stage of high energy heavy ion collisions makes virtual gluon fields real. The same is true for virtual vacuum fields $under$ the topological barrier, excited to real states $at$ or $above$ the barrier, gluomagnetic clusters of particular structure related to the $sphalerons$ of the electroweak theory. Semiclassically, these states play the role of the {\em ``turning points''}. After being produced they explode into a spherical shell of coherent field which then turn into several outgoing gluons. Furthermore, this explosions promptly produce quark pairs, as seen from explicit solution of the Dirac equation. The masses of such clusters depend on their size, and are expected to peak at $M\sim 3 GeV$. After we briefly review those consepts in a non-technical manner, we discuss what observable consequences the production of such clusters would make in the context of heavy ion collisions, especially at the RHIC energies. We discuss entropy and especially quark production, event-by-event fluctuations in collective effects like radial and elliptic flows and $J/ψ$ suppression. Coherent fields and their geometry increase the jet quenching, and we also point out the existene of ``explosive edge'' which jump-start collective effects and may affect unusual phenomena seen at RHIC at large $p_t$.

研究の動機と目的

• 標準的流体力学的モデルを超えて、高エネルギー重イオン衝突における即時クォーク生成および集団的現象の起源を説明すること。
• RHICで未解決の問題とされている $J/\psi$ の強化された抑制、高 $p_t$ のバリオン生成、および径方向および楕円流におけるイベントごとのフラクチュエーションを解明すること。
• 半古典的トンネル効果——インスタントンに類似した配置を介して——が、一様な場のクラスターを生成し、それがグルーオンおよびクォークに爆発的に崩壊することを提案すること。
• これらのクラスターが観測可能なシグネチャ、特に早期のクォーク-反クォーク対生成および増強されたジャットクエンチングとどのように関連するかを提示すること。

提案手法

• QCD真空のトポロジカル障壁の下をトンネルする現象をモデル化するための半古典的インスタントン理論の使用により、実際の、一様な場のクラスターを生成する。
• これらのクラスターの力学を記述するための古典的ヤン・ミルズ方程式の適用、特に球対称の爆発的崩壊によるグルーオンおよびクォーク生成の記述。
• これらのクラスターの古典的時間発展の数値的および解析的取り扱い、その幾何学的構造および質量分布が $M \sim 3\,\text{GeV}$ でピークに達することの分析。
• 一様な場の背景においてディラック方程式の正確な解を用いて、即時クォーク対生成を示す。
• 素粒子-素粒子断面積の擬似実験的推定を用いてクラスター生成レートを評価し、観測されたエントロピーおよびエネルギーと比較する。
• $T_{\text{slope}}$ および $p_t$ のイベントごとのフラクチュエーションの分析により、クラスター誘発のダイナミクスが熱的モデルからの逸脱とどのように関連するかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空トンネル効果によって生成されるトポロジカルクラスターは、高エネルギー重イオン衝突における早期のクォークおよびグルーオン生成にどのように寄与するか？
• RQ2 これらのクラスターの爆発的崩壊から生じる観測可能なシグネチャは何か、特にジャットクエンチングおよび $J/\psi$ の抑制において。
• RQ3 クラスター誘発のフラクチュエーションは、RHICにおける観測された径方向および楕円流のイベントごとの変動をどの程度説明できるか？
• RQ4 一様な場からの即時クォーク-反クォーク対生成は、高 $p_t$ における大きなバリオン成分を説明できるか？
• RQ5 これらのクラスターは初期エントロピーおよびエネルギー予算にどのように影響を与え、流体力学的QGP形成モデルと整合するか？

主な発見

• QCDトポロジカル障壁の下をトンネリングすることで生成されるトポロジカルクラスターは、一様な球対称シェル状のグルーオン場に爆発的に崩壊し、その後3〜4個のグルーオンおよび最大3対のクォーク-反クォーク対を生成する。
• これらのクラスターの質量は約 $M \sim 3\,\text{GeV}$ でピークに達し、スカラーグルーオンボールやその他のExotic状態のスケールと整合する。
• ディラック方程式の正確な解を用いて、これらの一体的な場からの即時クォーク対生成が示され、早期のクォークの非熱的起源が裏付けられる。
• イベントごとの $p_t$-スロープのフラクチュエーションは、パイオンで約1%、ヌクレオンで約2%に予測され、集団的流れにおけるクラスター誘発の変動に起因する。
• これらのクラスターの爆発的エッジは、集団的効果の種となる可能性があり、RHICにおける奇妙な高 $p_t$ 現象の説明に寄与する可能性がある。
• クラスター生成および他のメカニズム（例：カラーレイ・コンデンゲート）による合計エントロピーおよびエネルギーは、RHICデータへの流体力学的フィットから推定される初期状態と整合する。