[論文レビュー] Transverse Energy Measurement and Fluctuation Studies in Ultra-Relativistic Heavy Ion Collisions

R. Sahoo|ArXiv.org|Apr 10, 2008

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

本学位論文は、AGSからRHICにかけての超相対論的重イオン衝突における横運動エネルギーおよび揺らぎの測定を提示し、エネルギーにわたってほぼ一定の $ dE_T/d\bar{\nu} / dN_{ch}/d\bar{\nu} $ 確率比が得られ、$ E_T $ の増加が主に粒子多重度の上昇に起因することを示している。流体力学的モデルとエネルギー密度推定により、高密度かつ平衡状態に達したクォーク・ gluon プラズマの形成が示唆され、参加者ペアあたりの $ dE_T/d\bar{\nu} $ および $ dN_{ch}/d\bar{\nu} $ の対数スケーリングに基づき、LHCエネルギーにおける予測がなされている。

ABSTRACT

Transverse energy ($E_T$) has been measured with both of it's components, namely hadronic ($E_T^{had}$) and electromagnetic ($E_T^{em}$) at mid-rapidity, for 62.4 GeV Au+Au collisions by the STAR experiment. In the common phase space of TPC and BEMC ($0 < η< 1$ and full $ϕ$), we have obtained $E_T^{had}$ from the TPC reconstructed tracks and $E_T^{em}$ from the BEMC tower hits after correcting for the hadronic contaminations in the calorimeter. The centrality behavior of $/(0.5 N_{part})$ and the excitation function of $/(0.5 N_{part})$ has been compared with the final state gluon saturation model (EKRT) along with similar measurements from SPS to RHIC. The most striking feature is the observation of a nearly constant value of $E_T/N_{ch} \sim 0.8$ GeV from AGS, SPS to RHIC. The $E_T$ and $N_{ch}$ production has been observed to follow a logarithmic behavior. The initial energy density estimated by the boost-invariant Bjorken hydrodynamic model, is well above the lattice QCD value for a deconfined matter of Quarks and Gluons. Taking similar colliding species i.e. Au+Au, the $ε_{Bj} .τ$ has been predicted for LHC, based on the measurements at RHIC. We have also made predictions for $(dE_T/dη)/(0.5 N_{part})$ and $(dN_{ch}/dη)/(0.5 N_{part})$ for the LHC energy. Furthermore, we have studied the event-by event fluctuations in $E_T$ and in the ratio of it's components using $σ/μ$ as the fluctuation observable.

研究の動機と目的

• 超相対論的重イオン衝突における横運動エネルギー $ E_T $ 及びその揺らぎを、AGSからRHICにかけてのエネルギー範囲で測定すること。
• $ E_T $ および粒子多重度の中心性およびエネルギー依存性、およびそれらの比を調査すること。
• 流体力学的モデル化およびエネルギー密度推定を用いて、高密度かつ平衡状態に達したクォーク・グルーオンプラズマの形成を評価すること。
• AGSからRHICのデータをもとにした外挿を用いて、LHCエネルギーにおける横運動エネルギーおよび荷電粒子多重度を予測すること。
• $ E_T $ の電磁成分の割合を評価し、長寿命の脱カラーディスオーダー状態のプラズマ相の存在に与える含意を検討すること。

提案手法

• STAR実験のデータを用い、$ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV における5%最も中心的な衝突で $ dE_T/d\bar{\nu} $ および $ dN_{ch}/d\bar{\nu} $ を測定した。
• 比 $ \frac{dE_T/d\bar{\nu}}{dN_{ch}/d\bar{\nu}} $ を計算し、エネルギーおよび中心性依存性を分析した。
• ブースト不変なBjorken流体力学的モデルを適用し、初期エネルギー密度 $ \rho_{\text{Bj}} \tau $ を推定した。その結果、RHICで $ 3.65 \pm 0.39~\text{GeV}/\text{fm}^3 $ が得られた。
• 参加者ペアあたりの $ dE_T/d\bar{\nu} $ および $ dN_{ch}/d\bar{\nu} $ の対数スケーリングを用いて、LHCエネルギーへの外挿を実施した。
• 5%中心的な衝突で、$ E_T $、$ E_T^{em}/E_T^{had} $、および $ E_T^{em}/E_T $ のイベントごとの揺らぎを $ \sigma/\mu $ を用いて測定した。
• 結果をEKRTグルーオン飽和モデルおよび流体力学的予測と比較し、クォーク・グルーオンプラズマ形成との整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重イオン衝突における中心系エネルギーおよび中心性に応じて、比 $ dE_T/d\bar{\nu} / dN_{ch}/d\bar{\nu} $ はどのように変化するか？
• RQ2 $ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV における中心的Au+Au衝突で形成される系の初期エネルギー密度は何か？ また、その値は格子QCDの予測と比較してどうか？
• RQ3 横運動エネルギーの電磁成分は、中心性またはエネルギー依存性を示すか？ そのような依存性が見られれば、長寿命の脱カラーディスオーダー状態のプラズマ相の存在を示唆する。
• RQ4 $ dE_T/d\bar{\nu} $ および $ dN_{ch}/d\bar{\nu} $ は $ \sqrt{s_{NN}} $ に対して対数的にスケーリングするか？ そのスケーリングが、LHCへの信頼性の高い外挿を可能にするか？
• RQ5 衝突の中心性に応じて、$ E_T $、$ E_T^{em}/E_T^{had} $、および $ E_T^{em}/E_T $ のイベントごとの揺らぎはどのように変化するか？

主な発見

• AGSからRHICにかけての $ \langle dE_T/d\eta \rangle / \langle dN_{ch}/d\eta \rangle = 866 \pm 122 $ MeV はほぼ一定であり、$ E_T $ の増加が多重度の増加に起因することを示している。
• $ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV における参加者ペアあたりの横運動エネルギーは $ \langle dE_T/d\eta \rangle / (0.5N_{\text{part}}) = 2.73 \pm 0.29 $ GeV である。
• Bjorkenモデルによる初期エネルギー密度の推定値は $ 3.65 \pm 0.39~\text{GeV}/\text{fm}^3 $ であり、脱カラーディスオーダーの閾値を50〜100倍も上回っている。
• 5%最も中心的な衝突における $ E_T $ の電磁成分割合は $ 0.318 \pm 0.036 $ であり、中心性依存性は顕著でないため、長寿命のプラズマ支配の可能性は否定される。
• 5%最も中心的な衝突における $ E_T $ の揺らぎは 8.4% であり、外側の衝突に向かって増加する。
• $ E_T^{em}/E_T^{had} $ および $ E_T^{em}/E_T $ の揺らぎは、それぞれ $ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV における5%中心的衝突で 14.4% および 9.74% であった。
• 対数スケーリングに基づく予測では、LHCにおける $ dN_{ch}/d\eta $ および $ dE_T/d\eta $ は、それぞれ $ \sim(6.53 \pm 0.45) \times (0.5N_{\text{part}}) $ および $ \sim(6.03 \pm 0.11) \times (0.5N_{\text{part}}) $ となる。