[논문 리뷰] Correlations between flow and transverse momentum in Xe+Xe and Pb+Pb collisions at the LHC with the ATLAS detector: A probe of the heavy-ion initial state and nuclear deformation

Georges Aad, Abbott, B.외 2894명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 ATLAS 데이터를 사용하여 √𝑠NN = 5.44 TeV 및 5.02 TeV에서 Xe+Xe 및 Pb+Pb 충돌에서 유동 히어르모닉스(𝑣𝑛)와 평균 횡방향 운동량([𝑝T]) 간의 상관관계를 측정한다. 중심 충돌에서 𝑣2–[𝑝T] 상관관계가 핵의 비대칭성에 매우 민감함을 보여주며, 129Xe가 원형 또는 축대칭이 아닌 삼축 타원체임을 강력히 뒷받ány하는 증거를 제공한다. 이는 고에너지 충돌에서 핵의 형상에 대한 새로운 탐사 수단을 제공한다.

ABSTRACT

The correlations between flow harmonics vn for n=2, 3, and 4 and mean transverse momentum [pT] in Xe129+Xe129 and Pb208+Pb208 collisions at s=5.44 and 5.02 TeV, respectively, are measured using charged particles with the ATLAS detector. The correlations are potentially sensitive to the shape and size of the initial geometry, nuclear deformation, and initial momentum anisotropy. The effects from nonflow and centrality fluctuations are minimized, respectively, via a subevent cumulant method and an event-activity selection based on particle production at very forward rapidity. The vn-[pT] correlations show strong dependencies on centrality, harmonic number n, pT, and pseudorapidity range. Current models qualitatively describe the overall centrality- and system-dependent trends but fail to quantitatively reproduce all features of the data. In central collisions, where models generally show good agreement, the v2-[pT] correlations are sensitive to the triaxiality of the quadruple deformation. Comparison of the model with the Pb+Pb and Xe+Xe data confirms that the Xe129 nucleus is a highly deformed triaxial ellipsoid that has neither a prolate nor oblate shape. This provides strong evidence for a triaxial deformation of the Xe129 nucleus from high-energy heavy-ion collisions.

연구 동기 및 목표

• 중간이온 충돌에서 초기 상태 기하학적 구조와 핵의 비대칭성에 따른 유동-횡방향 운동량 상관관계의 민감도를 조사하는 것.
• 고에너지 충돌이 129Xe와 같은 홀수 질량 핵에서 핵의 형상에 대한 탐사 수단으로 기능할 수 있는지 테스트하는 것.
• 중앙 충돌에서 𝑣𝑛과 [𝑝T] 간의 상관관계를 이용하여 129Xe의 비대칭 매개변수 (𝛽, 𝛾)를 결정하는 것.
• 모델 예측과 데이터를 비교하여 初기 상태 운동량 이방이성과 중심도 변동성의 역할을 평가하는 것.
• 129Xe 핵이 원형 또는 축대칭이 아닌 삼축 비대칭을 보이는지 여부를 확인하는 것.

제안 방법

• 𝑣𝑛–[𝑝T] 상관관계를 피어슨 상관계수 𝜌𝑛 = ⟨𝑣𝑛𝛿𝑝T⟩ / √(⟨𝑣𝑛²⟩⟨𝛿𝑝T²⟩)로 측정하며, 여기서 𝛿𝑝T = 𝑝T − [𝑝T]이다.
• 비유동 상관관계를 억제하기 위해 서브이벤트 누적 방법을 적용하여 측정된 상관관계가 진정한 동역학적 효과를 반영하도록 한다.
• 앞서 빠른도 영역에서 입자 생성량에 기반한 이벤트 활동 선택을 통해 중심도 변동성을 최소화한다.
• 다양한 중심도 범위와 위상속도 영역에서 충돌 입자들을 분석하여 기하학적 구조와 히어르모닉스 차수 의존성에 대한 연구를 수행한다.
• 초기 상태 모델(Glauber, CGC)과 점성 유체역학 모델을 데이터와 비교하여 모델 성능을 평가한다.
• 삼축성에 따라 달라지는 cos(3𝛾)𝛽³에 의존하는 매개변수 형태로 𝑣2–[𝑝T] 상관관계 데이터를 피팅함으로써 비대칭성 민감도를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Xe+Xe 및 Pb+Pb 충돌에서 𝑣𝑛–[𝑝T] 상관관계는 중심도, 히어르모닉스 수 𝑛, 위상속도 범위에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 이러한 상관관계는 충돌 핵의 初기 기하학적 구조와 핵의 비대칭성에 얼마나 민감한가?
• RQ3 중앙 Xe+Xe 충돌에서 관측된 상관관계는 원형, 축대칭, 삼축 비대칭 핵 형상 간을 구별할 수 있는가?
• RQ4 현재의 유체역학 및 초기 상태 모델은 측정된 𝑣𝑛–[𝑝T] 상관관계 패턴을 정량적으로 재현하는가?
• RQ5 𝑣2–[𝑝T] 상관관계 데이터를 바탕으로 129Xe에서 삼축 비대칭의 증거는 무엇인가?

주요 결과

• 중앙 Xe+Xe 충돌에서의 𝑣2–[𝑝T] 상관관계는 삼축성 매개변수 cos(3𝛾)에 강하게 의존하며, 이는 단순한 축대칭 또는 원형 대칭을 초월한 핵 형상 민감도를 나타낸다.
• 데이터는 129Xe가 원형 또는 축대칭이 아님을 배제하며, 𝛾 ≈ 30°로 삼축 비대칭이 최대임을 나타내는 강력한 증거를 제공한다.
• 중앙 Xe+Xe 충돌에서 측정된 𝑣2–[𝑝T] 상관관계는 𝑣2,Xe/𝑣2,Pb 비율의 증가를 바탕으로 𝛽Xe ≈ 0.16–0.2로 추정되는 이중극 모양 비대칭 매개변수와 일치한다.
• 현재 모델들은 상관관계의 중심도 및 시스템 의존성의 총체적 경향을 정성적으로 재현하지만, 특히 외곽 영역에서 𝜌2의 부호와 크기 특성을 정량적으로 기술하지 못한다.
• 𝑣𝑛–[𝑝T] 상관관계는 중심 및 중앙 영역에서는 양수이며, 외곽 영역에서는 음수이며, 초기 상태 기하학적 구조와 반경 방향 유동 변동성에 기대하는 바와 일치한다.
• Pb+Pb 및 Xe+Xe 데이터의 비교를 통해 129Xe가 구형이 아니며, 뚜렷한 비대칭성을 보이며, 삼축 형상이 주요 구성임을 확인하였다.