[논문 리뷰] (3+1)-D viscous hydrodynamics CLVisc at finite net baryon density: identified particle spectra, anisotropic flows and flow fluctuations across BES energies

Xiang-Yu Wu, Guang-You Qin외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 11.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 (3+1)-차원 점성 유체역학 모델 CLVisc를 확장하여 네트워크 바리온 수 보존과 이zlak-Stewart 유사 방정식을 통한 바리온 확산을 포함하고, NEOS-BQS 상태방정식과 몬테카를로 글라우버 모델로부터 유도된 임의의 초기 조건을 사용한다. 이 모델은 RHIC-BES 에너지 범위(7.7–62.4 GeV)에서 특정 입자 스펙트럼, 이방성류, 유동 변동성을 성공적으로 재현하며, 높은 복사류에 의해 증가하는 중력류에 기인한 에너지 증가에 따라 평균 횡방향 운동량과 유동이 약간 증가하는 경향을 보이며, 상대적 타원류 변동성이 충돌 에너지에 민감하지 않음을 확인하여 스타 데이터와 일치한다.

ABSTRACT

To study the bulk properties of the quark-gluon-plasma (QGP) produced at the beam energy scan (BES) energies at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), we extend the (3+1)-dimensional viscous hydrodynamics CLVisc to include net baryon number conservation and Israel-Stewart-like equation for baryon diffusion with the NEOS-BQS equation of state, fluctuating initial conditions from Monte-Carlo Glauber model, and the afterburner SMASH. This integrated framework is shown to provide a good description of identified particle spectra, mean transverse momenta and anisotropic flows for different centralities and over a wide range of collision energies (7.7-62.4 GeV). It is found that the mean momenta of identified particles and anisotropic flows increases mildly with the collision energy due to larger radial flow. We further compute the multiple-particle cumulant ratio $v_2\{4\}/v_2\{2\}$ of elliptic flow across BES energies, and find that the relative fluctuations of elliptic flow are insensitive to the collision energy, consistent with the preliminary STAR data. Our model provides a benchmark for understanding the RHIC-BES data and studying the critical properties and phase structure of hot and dense QCD matter.

연구 동기 및 목표

• RHIC-BES 에너지에서 QGP를 연구하기 위해 유한한 순 바리온 밀도를 고려한 실제적인 임의의 사건 기반 유체역학 프레임워크를 개발하는 것.
• 저에너지 중이온 충돌에서 바리온 수 보존 및 확산 효과가 무시할 수 없을 정도로 중요한 상황에서 기존 유체역학의 한계를 해결하는 것.
• QCD 상전이도를 탐색하고 임계점 탐지에 기여하기 위한 QGP의 거시적 성질을 이해하기 위한 기준 모델을 제공하는 것.
• 일致한 초기 조건, 상태방정식, 후처리기(아웃버너)를 사용하여 QCD 물질의 전 과정(예균형에서 화학적 동결까지)을 시뮬레이션하는 것.

제안 방법

• CLVisc의 (3+1)-차원 점성 유체역학 코드를 확장하여 순 바리온 수 보존과 두 번째 순서 이즈락-스타우트 유사 방정식을 통한 바리온 확산 전류를 포함한다.
• 유체역학 운동 방정식을 닫기 위해 유한한 바리온 화학적 포텐셜을 고려한 NEOS-BQS 상태방정식을 사용한다.
• 임의의 사건 기반 시뮬레이션을 위해 몬테카를로 글라우버 모델을 사용하여 변동성이 있는 초기 에너지 및 순 바리온 밀도 분포를 생성한다.
• 유체역학 단계 이후 희박한 하드론 기체의 동적 진화를 시뮬레이션하기 위해 SMASH 후처리기를 적용한다.
• 7.7–62.4 GeV의 광범위한 빔 에너지 및 중심성 범위에서 임의의 사건 기반 시뮬레이션을 수행하여 스펙트럼, 유동, 누적률 비율 등의 관측량을 계산한다.
• 유동 변동성과 에너지 의존성을 정량화하기 위해 다중입자 누적률 비율인 $v_2\{2\}/v_2\{4\}$을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BES 에너지 범위에서 충돌 에너지 및 중심성에 따라 특정 입자 스펙트럼과 평균 횡방향 운동량은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 이방성류($v_2$, $v_3$)는 빔 에너지 증가에 따라 어느 정도 증가하며, 그 증가의 주요 원인은 무엇인가?
• RQ3 다양한 충돌 에너지 및 중심성 조건에서 상대적 유동 변동성($v_2\{2\}/v_2\{4\}$)은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 모델의 유동 변동성 예측은 BES 에너지 전역에서의 초기 스타 데이터와 일치하는가?
• RQ5 점성 유체역학에 바리온 확산과 유한한 바리온 밀도를 포함함으로써 저에너지에서 입자 스펙트럼과 유동의 기술이 향상되는가?

주요 결과

• 모델은 7.7–62.4 GeV 범위에서 특정 입자 스펙트럼과 평균 횡방향 운동량의 질량, 중심성, 충돌 에너지 의존성을 성공적으로 재현한다.
• 평균 횡방향 운동량은 빔 에너지와 중심성 증가에 따라 약간 증가하며, 주로 더 높은 밀도와 더 중심적인 시스템에서 증가하는 중력류에 기인한다.
• 양성자 평균 횡방향 운동량은 파이온이나 카이온보다 충돌 에너지 변화에 더 민감하게 반응하며, 중력류 지배의 일관성 있는 결과이다.
• 타원($v_2$) 및 삼각($v_3$) 유동은 빔 에너지 증가에 따라 약간 증가하며, 주로 초기 기하학적 변화가 아닌 증가하는 중력류에 의해 주도된다.
• 다중입자 누적률 비율 $v_2\{2\}/v_2\{4\}$는 중심성에 따라 비단조화적인 의존성을 보이며, 기하학적 효과가 지배적인 중앙 중심성에서 상대적 변동성이 최소가 된다.
• 상대적 타원류 변동성($v_2\{2\}/v_2\{4\}$)은 충돌 에너지에 민감하지 않으며, 초기 스타 데이터와 일치한다.