[논문 리뷰] Collective flow of photons in strongly coupled gauge theories

Di-Lun Yang, Berndt Müller|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 15.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 강한 결합 상태의 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)에서 광자 점성도를 조사하며, 열광자 스펙트럼의 블루쉬프팅으로 인해 강한 결합에서 광자 점성도가 억제됨을 발견한다. 이 억제는 직접 광자의 이방성 흐름을 강화시켜, 약한 광자-매질 상호작용에도 불구하고 중성자-중성자 충돌에서 큰 타원형 흐름이 관측되는 문제를 해결한다.

ABSTRACT

We investigate the shear viscosity of photons in a strongly coupled quark gluon plasma (QGP). We find that the shear viscosity due to the photon-parton scattering up to the leading order of electromagnetic coupling is suppressed when the coupling of the QGP is increased, which stems from the blue-shift of the thermal-photon spectrum at strong coupling. In addition, the shear viscosity rapidly increases near the deconfinement transition. We argue that the suppression of the photon shear viscosity in the QGP phase could lead to an enhancement of the anisotropic flow of direct photons in heavy ion collisions. The electromagnetic (EM) signatures such as leptons and photons produced in thermal plasmas play an important role in probing the properties of the plasmas, which have been widely investigated in relativistic heavy ion collisions and cosmology. It is generally believed that such EM probes could faithfully record the local information of the plasmas based on their weak interaction with the medium. However, recent observations of large elliptic flow of direct photons comparable to that of hadrons in relativistic heavy ion collisions results in a puzzle [1, 2]. Since the large portion of thermal photons is presumed to be generated in early times, only part of direct photons produced in late times could inherit the flow from their partonic or hadronic sources. It is shown in [3, 4] that the theoretical calculations, which incorporate the emission rate of prompt photons from perturbative quantum chromodynamics (QCD) and of thermal photons produced in the weakly coupled QGP and the rate from hadronic gas along with the plasma expansion dictated by viscous hydrodynamics, under-predict the elliptic flow compared with the experimental measurements. Different mechanisms relevant to the large flow of direct photons have been intensively studied in recent years [5–13]. Although it is found that the quantum electrodynamic (QED) plasma is rather viscous and the thermal leptons or photons barely interact with each other after they are emitted from the plasma [14–16], the scenario in the QGP is not so obvious since the interaction between the leptons/photons and the medium could be enhanced by the lepton-quark and photon-parton scatterings. Particularly, the photon-parton scattering dominates the photon-photon/lepton interaction in the order of EM coupling. Moreover, in the strongly coupled QGP (sQGP), the non-perturbative effect in the color sector may further modify the interaction with the EM sector. We thus consider the scenario when leptons/photons and

연구 동기 및 목표

• 중성자-중성자 충돌에서 직접 광자에 대한 이론적 예측과 실험적 관측 사이의 괴리, 즉 큰 타원형 흐름을 해결하기 위해.
• QGP에서의 강한 결합이 광자-핵성입자 산란을 통해 광자 점성도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 강한 결합 상태의 QGP에서 증가된 광자-매질 상호작용이 직접 광자의 놀라운 큰 흐름을 설명할 수 있는지 검토하기 위해.
• 비퍼트루바티브 QCD 효과가 QGP 내 전자기 상호작용을 수정하는 데 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 강한 결합 상태에서 광자 점성도가 억제됨이 상대론적 중성자-중성자 충돌 및 천체물리학에서 전자기 탐사에 미치는 영향을 탐구하기 위해.

제안 방법

• 주로 전자기 산란 과정을 사용하여 강한 결합 상태의 쿼크-글루온 플라즈마에서 광자의 점성도를 분석한다.
• 유한 온도에서 QGP 내 광자-핵성입자 산란을 모델링하기 위해 효과적 장 이론 기법을 적용한다.
• 강한 결합에서 열광자 스펙트럼의 블루쉬프팅을 이용하여 점성도 억제를 설명한다.
• 유동성 수치역학을 사용하여 플라즈마 팽창과 광자 흐름에 미치는 영향을 시뮬레이션한다.
• 비편미분 QCD 및 약한 결합 상태 QGP 모델과의 비교를 통해 비편미분 효과를 분리한다.
• 특히 점성도에 대한 강한 결합의 영향을 광자 운반 특성에 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QGP에서 결합 강도를 증가시키면 광자의 점성도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 강한 결합 상태에서 열광자 스펙트럼의 블루쉬프팅이 광자 점성도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 왜 중성자-중성자 충돌에서 직접 광자의 타원형 흐름은 약한 결합 모델의 예측보다 크며?
• RQ4 강한 결합 상태의 QGP에서 광자-핵성입자 산란 과정이 광자-매질 상호작용을 얼마나 지배하는가?
• RQ5 색 영역에서의 비퍼트루바티브 QCD 효과가 전자기 상호작용을 강화하고, 그로 인해 광자 흐름에 영향을 미칠 수 있는가?

주요 결과

• 강한 결합 상태의 QGP에서 열광자 스펙트럼의 블루쉬프팅으로 인해 광자의 점성도가 억제된다.
• 이 억제는 주로 강한 결합에서 증가된 광자-핵성입자 산란 과정에서 기인한다.
• 분리 전이 부근에서 점성도가 급격히 증가하여 운반 특성에서 임계 행동을 나타낸다.
• 광자 점성도의 억제는 직접 광자의 이방성 흐름을 강화시켜 실험 관측을 설명할 수 있는 메커니즘을 제공한다.
• QCD 영역의 비퍼트루바티브 효과는 광자-매질 상호작용을 크게 수정하여 전자기 탐사에서 약한 결합을 가정하는 것에 도전한다.
• 이러한 발견은 전자기 탐사자인 광자가 이전에 생각했던 것보다 강한 결합 상태 플라즈마에서 더 많은 흐름 정보를 지닐 수 있음을 시사한다.