[論文レビュー] Viscous fluid dynamics in Au+Au collisions at RHIC

A. K. Chaudhuri|ArXiv.org|Jan 21, 2008

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、RHICにおけるAu+Au衝突における粘性流体力学を、η/s = 0.08としてモデル化したIsrael-Stewart形式を用いて調査する。最小限の粘性を持つ流体力学は、理想流体力学がpT ≈ 1.5 GeVで失敗するのに対し、pT ≈ 3.6 GeVまで実験的pTスペクトルおよび楕円流をよりよく再現することを示しており、RHICデータの全中心性クラスにおいて粘性の重要な役割を明らかにする。

ABSTRACT

We have studied the space-time evolution of minimally viscous ($\fracη{s}$=0.08) QGP fluid, undergoing boost-invariant longitudinal motion and arbitrary transverse expansion. Relaxation equations for the shear stress tensor components, derived from the phenomenological Israel-Stewart's theory of dissipative relativistic fluid, are solved simultaneously with the energy-momentum conservation equations. Comparison of evolution of ideal and viscous fluid, both initialized under the similar conditions, e.g. same equilibration time, energy density and velocity profile, indicate that in viscous fluid, energy density or temperature of the fluid evolve slowly than in an ideal fluid. Transverse expansion is also more in viscous evolution. We have also studied particle production in viscous dynamics. Compared to ideal dynamics, in viscous dynamics, particle yield at high $p_T$ is increased. Elliptic flow on the other hand decreases. Minimally viscous QGP fluid, initialized at entropy density $s_{ini}$=110 $fm^{-3}$ at the initial time $τ_i$=0.6 fm, if freeze-out at temperature $T_F$=130 MeV, explains the centrality dependence of $p_T$ spectra of identified particles. Experimental $p_T$ spectra of $π^-$, $K^+$ and protons in 0-5%, 5-10%, 10-20%, 20-30%, 30-40% and 40-50% Au+Au collisions are well reproduced through out the experimental $p_T$ range. This is in contrast to ideal dynamics, where, the spectra are reproduced only up to $p_T\approx$1.5 GeV. Minimally viscous QGP fluid, also explain the elliptic flow in mid-central (10-20%, 16-23%, 20-30%) collisions. The minimum bias elliptic flow is also explained. However, the model under-predict/over-predict the elliptic flow in very central/peripheral collisions.

研究の動機と目的

• RHICにおけるAu+Au衝突におけるQGPの空間的・時間的進化に有限のせん断粘性が与える影響を評価すること。
• 高pTスペクトルおよび飽和する楕円流を記述できない理想流体力学の限界を解消すること。
• 最小限の粘性を持つ流体力学（η/s = 0.08）が、複数の中心性領域でpTスペクトルおよび楕円流を同時に説明できるかどうかを検証すること。
• 理想流体力学モデルの不一致、特にHBTパズルおよび高pT偏差を解消するために粘性効果が必要かどうかを特定すること。
• 実験データを用いてQGP輸送係数の現象論的制約を提供すること。

提案手法

• 相対論的散乱流体力学のIsrael-Stewart理論を用いて、せん断応力テンソル成分の緩和方程式を解く。
• ブースト不変および任意の横方向拡張条件の下で、エネルギー運動量保存則方程式とせん断応力の進化方程式を同時に解く。
• 初期条件は理想流体力学と一致させる：τi = 0.6 fm、s_ini = 110 fm⁻³、vx = vy = 0、η/s = 0.08。
• 緩和時間τπはボルツマン気体の値に固定する：τπ = 6η/sT。
• 実験データに適合させるために凍結温度を変動させ、16–23%中心性で楕円流に最適なT_F = 130 MeVが得られた。
• 粒子スペクトルおよび楕円流は、同じ粘性流体力学的設定を用いて計算し、PHENIXおよびSTARデータと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最小限の粘性を持つ流体力学（η/s = 0.08）は、理想流体力学よりも、Au+Au衝突における識別粒子のpTスペクトルの中心性依存性をよりよく記述できるか？
• RQ2 粘性ダイナミクスは、理想流体力学が失敗する高pT領域における楕円流の記述を改善するか？
• RQ3 中程度中心性のデータにうまく合うにもかかわらず、非常に中心性の高い衝突では楕円流を低く予測し、外縁部では過剰に予測する理由は何か？
• RQ4 せん断粘性は、理想流体力学と比較して、エネルギー密度および横方向拡張の進化をどの程度変化させるか？
• RQ5 一組のパラメータ（η/s = 0.08、T_F = 130 MeV）が、複数の中心性クラスにわたってpTスペクトルおよび楕円流を同時に記述できるか？

主な発見

• η/s = 0.08およびT_F = 130 MeVの最小限の粘性を持つ流体力学は、0–5%から40–50%までの全中心性領域でπ⁻、K⁺および陽子のpTスペクトルを成功裏に再現し、理想流体力学がpT ≈ 1.5 GeVで失敗するのに対し、pT ≈ 3.6 GeVまで一致を保つ。
• 中程度中心性の衝突（10–20%、16–23%、20–30%）および最小バイアスデータの楕円流の中心性依存性を説明でき、pT ≈ 3.6 GeVまで一致する。
• 非常に中心性の高い衝突では、モデルが楕円流を低く予測しており、より少ない粘性が必要である可能性を示唆する。一方、外縁部では過剰に予測しており、より高い粘性が必要であることを示唆する。
• 粘性ダイナミクスは、理想流体力学と比較して、エネルギー密度および温度の進化を遅くし、横方向拡張を強化する。
• π⁻、K⁺および陽子の平均横運動量の中心性依存性も、N_part ≈ 100まで一貫した流体力学的挙動を再現している。
• 結果として、わずかなせん断粘性（η/s = 0.08）であっても、特に高pTおよび楕円流観測量においてRHICデータの記述を顕著に改善することが示され、流体力学的モデルに粘性効果を組み込む必要性が強調される。