[논문 리뷰] Anisotropic emission of direct photons from Au+Au collisions at $\sqrt {s_{ m NN}}=200~{ m GeV}$ with EPOS3 and IP-Glasma

Fuming Liu, Sheng-Xu Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 30.

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한 줄 요약

이 논문은 √sNN = 200 GeV에서의 Au+Au 충돌에서 직접 광자의 타원류동 흐름 수수께끼를 해결하기 위해 새로운 해결책을 제시한다. EPOS3는 추가 매개변수 없이도 모든 중심도에서 측정된 횡방향 운동량 스펙트럼, v₂, v₃를 동시에 재현하는 유체역학 모델임을 보여주며, 핵심 메커니즘은 낮은 운동량 이완도를 보상하기 위해 강한 반경방향 유량을 갖는 것이다. 이로 인해 조기 방출에도 불구하고 큰 광자 이방성 흐름이 발생한다.

ABSTRACT

The observed large elliptic flow ($v_2$) of direct photons in relativistic heavy ion collisions challenges us to explain. In this paper we consider only two sources of direct photons, prompt photons and thermal photons. Prompt photons are calculated with QCD to next leading order, which fits well the spectra at high transverse momentum ($p_{ m t}$) region. Thermal photons are calculated with AMY rate in a 3+1D viscous hydrodynamical evolution of the collision systems. Two types of initial conditions, EPOS3 and IP-Glasma, are employed. Our results with IP-Glasma initial condition agree with results in published work in most cases, and the difference tells the regions effected by the absence of viscous correction in photon emission rate. Because both models are well constrained with hadron data, the hydrodynamic evolution of collision systems in the two models have many common. However, the transverse velocity of the collective motion are quite different. This makes a big difference in the anisotropic emission of direct photon emission. The observed large elliptic flow of direct photons is reproduced with EPOS3 hydrodynamic evolution.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 200 GeV에서의 Au+Au 충돌에서 오랫동안 남아있던 직접 광자의 큰 타원류동 흐름(v₂) 문제를 해결하기 위해.
• EPOS3라는 유체역학 모델이 추가 매개변수 없이도 양성자 및 직접 광자 관측량을 동시에 기술할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 조기 방출에도 불구하고 큰 광자 이방성 흐름을 생성하는 데 반경방향 유량과 운동량 이완도의 역할을 조사하기 위해.
• EPOS3의 시스템 진화를 Glauber-초기 유체역학 모델(Hirano)과 비교하여 강화된 광자 유량의 기원을 분리하기 위해.
• EPOS3의 이산적인 물질 분포로 인해 효과적 부피가 감소하고 반경방향 유량이 강한데, 이는 QGP 형성 지연이나 초기 유량이 비영일 경우의 타당한 대안이 될 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 모든 중심도 클래스(0–20%, 20–40%, 40–60%)에서 √sNN = 200 GeV에서의 Au+Au 충돌을 EPOS3로 시뮬레이션하였다.
• 직접 광자의 스펙트럼은 QGP에서의 AMY 비율과 양성자 단계에서의 TRG 비율을 사용해 프롬프트 광자(NLO)와 열광자를 조합하여 계산하였다.
• 프롬프트 광자가 유량을 0으로 가정하고 vₙ = vₙ^th × N^th / (N^th + N^pr)를 사용해 광자 유량을 계산하였다.
• 이벤트 평면 각도 Ψₙ은 ⟨sin nϕ⟩ 및 ⟨cos nϕ⟩를 사용해 광자 방출 각도의 애자주 평균에서 추출하였다.
• 반경방향 유량과 공간 구조의 영향을 분리하기 위해 EPOS3를 Hirano의 (3+1)-차원 유체역학 모델과 비교하였다.
• 반경방향 유량 감소 테스트(50%의 EPOS3 값)를 수행하여, T와 ε₂를 그대로 유지하면서 유량 v₂ 및 v₃에 미치는 영향을 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EPOS3는 추가 매개변수 없이도 모든 중심도에서 직접 광자의 횡방향 운동량 스펙트럼, v₂, v₃를 동시에 재현할 수 있는가?
• RQ2 조기 방출에도 불구하고 반경방향 유량은 직접 광자에서 큰 타원류동 및 삼각류동을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 반경방향 유량과 운동량 이완도 εₚ,₂의 상호작용은 EPOS3에서 관측된 광자 이방성 흐름을 어떻게 설명하는가?
• RQ4 EPOS3에서 반경방향 유량을 줄이면 왜 v₂와 v₃는 강하게 억제되나, 양성자에는 더 작은 영향을 미치는가?
• RQ5 EPOS3의 이산적인 물질 분포로 인해 효과적 부피가 감소하고 반경방향 유량이 강한데, 이는 QGP 형성 지연을 해결하는 데 타당한 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• EPOS3는 √sNN = 200 GeV에서의 Au+Au 충돌에서 모든 중심도에서 직접 광자의 횡방향 운동량 스펙트럼, v₂, v₃를 성공적으로 재현하였으며, 오차 범위 내에서 PHENIX 데이터와 일치한다.
• EPOS3에서 직접 광자의 타원류동 흐름 v₂는 모든 중심도에서 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, v₃ 역시 실험 오차 범위 내에 있다.
• EPOS3의 반경방향 유량을 50%로 줄이면, 온도와 공간 이완도가 그대로 유지됨에도 불구하고 열광자의 v₂와 v₃가 5배 이상 감소한다.
• EPOS3의 반경방향 유량은 Hirano 유체역학 모델의 약 두 배이며, 낮은 운동량 이완도를 보상하여 유사한 양성자 v₂를 생성한다.
• EPOS3는 냉기 구멍이 있는 이산적인 물질 분포로 인해 Hirano보다 약 30% 작은 효과적 부피를 가지지만, 유사한 공간 이완도를 유지한다.
• 운동량 이완도의 방향 Φ는 크기 외에도 v₂와 v₃의 차이에 크게 영향을 미치며, 이는 유량 생성에서 각도 상관관계의 중요성을 강조한다.