[論文レビュー] Transverse momentum structure of pair correlations as a signature of collective behavior in small collision systems

I. M. Kozlov, Matthew Luzum+3 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 37

ひとこと要約

本稿では、p-Pb などの小スケール衝突系における集団的挙動を検証するため、2粒子相関における横運動量構造から導かれる新しい流体力学的観測量 $ r_n $ を提案する。3+1次元の粘性流体力学シミュレーションを用い、イベントごとの初期状態を導入した結果、$ r_n $ は粘性にほとんど依存しないが、初期状態の横方向フラクチュエーションに強く依存しており、高密度小スケール系における流体力学モデルの厳密なテストを可能にする。

ABSTRACT

We perform 3+1D viscous hydrodynamic calculations of proton-lead and lead-lead collisions at top LHC energy. We show that existing data from high-multiplicity p-Pb events can be well described in hydrodynamics, suggesting that collective flow is plausible as a correct description of these collisions. However, a more stringent test of the presence of hydrodynamic behavior can be made by studying the detailed momentum dependence of two-particle correlations. We define a relevant observable, $r_n$, and make predictions for its value and centrality dependence if hydrodynamics is a valid description. This will provide a non-trivial confirmation of the nature of the correlations seen in small collision systems, and potentially to determine where the hydrodynamic description, if valid anywhere, stops being valid. Lastly, we probe what can be learned from this observable, finding that it is insensitive to viscosity, but sensitive to aspects of the initial state of the system that other observables are insensitive to, such as the transverse length scale of the fluctuations in the initial stages of the collision.

研究の動機と目的

• 高密度プロトン- lead 衝突における流体力学的挙動が一貫して記述可能かどうかを明らかにすること。
• 流体力学的挙動と代替的説明による類似集団的相関を区別できる非自明でモデルに依存する観測量を同定すること。
• 通常の観測量では見えにくい、初期状態のエントロピーフラクチュエーションの横方向スケールを調べること。
• 既存の流体力学モデルが、一貫した初期状態を用いて p-Pb および Pb-Pb の両方のデータを同時に記述できるかどうかを検証すること。
• 初期状態の細粒度および粘性の変化に対して、流体力学的予測のロバストネスを評価すること。

提案手法

• 3+1次元の粘性相対論的流体力学的シミュレーションを、$ \sqrt{s_{NN}} = 5.02 $ TeV の p-Pb および Pb-Pb 衝突に対して実施。シミュレーションには MUSIC v2.0 コードを用いる。
• 空間的およびラピディティ依存のエントロピー分布を用いた、修正されたモンテカルロ・グルーバー・モデルを用いて、イベントごとの初期状態を実装する。
• 参加者あたりのエントロピーに負の二項分布（NBD）フラクチュエーションを組み込み、現実的な多重度分布をモデル化する。
• 観測量 $ r_n $ を定義し、横運動量空間における2粒子相関関数の比として、運動量依存構造を調べる。
• 初期状態パラメータ（横方向ガウス幅 $ \sigma $：0.4–0.8 fm、剪断粘性率/エントロピー比 $ \eta/s $）を変化させ、感度をテストする。
• ALICE および ATLAS が得た実験データと比較することで、$ r_n $ の予測の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イベントごとの初期状態を用いた流体力学的モデルが、高密度 p-Pb 衝突データを定量的に記述できるか？
• RQ2 粘性を変化させても、$ r_n $ が初期状態の横方向フラクチュエーションスケールに敏感であるか？
• RQ3 参加者あたりの初期エントロピーに負の二項分布フラクチュエーションを組み込むと、$ r_n $ の予測が定常サンプリングモデルと顕著に異なるか？
• RQ4 $ r_n $ が流体力学的記述と非流体力学的記述を区別する非自明な識別子として機能できるか？
• RQ5 初期状態の細粒度を p-Pb に合わせて調整した場合、Pb-Pb のデータをよく再現する流体力学的モデルがなぜ p-Pb のデータをうまく記述できないのか？

主な発見

• イベントごとの初期状態を用いた流体力学的シミュレーションは、高密度 p-Pb 衝突データを定量的に記述可能であり、集団的挙動の妥当性を支持する。
• 観測量 $ r_n $ は剪断粘性率 $ \eta/s $ にほとんど依存しないため、粘性のプローブとしては不適切だが、初期状態の構造を調べるには非常に適している。
• $ r_n $ の値は初期エントロピーフラクチュエーションの横方向幅 $ \sigma $ に強く依存し、$ \sigma $ が小さい（0.4 fm）ほど 1 からのずれが顕著になる。
• 参加者あたりの初期エントロピーに負の二項分布フラクチュエーションを組み込むと、$ r_2 $ および $ r_3 $ の値が顕著に低下し、Pb-Pb の実験データから離れる。
• p-Pb および Pb-Pb の両方のデータを同時にフィットすることは困難であり、モデルとデータの間に矛盾が生じており、初期状態モデルの制約が示唆される。
• 観測量 $ r_n $ は初期状態の細粒度を独自に探査する手段を提供し、小スケール系における流体力学的モデルに対する新たな非自明なテストを可能にする。