[논문 리뷰] Creating small circular, elliptical, and triangular droplets of quark-gluon plasma

C. Aidala, Y. Akiba외 318명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 08.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 39인용 수 108

한 줄 요약

본 논문은 200 GeV에서의 소시스템 p+Au, d+Au, 3He+Au 충돌에서 타원형 및 삼각 플로우를 보고하여 이러한 시스템에서의 유체역학적 QGP 형성을 뒷받침한다.

ABSTRACT

The experimental study of the collisions of heavy nuclei at relativistic energies has established the properties of the quark-gluon plasma (QGP), a state of hot, dense nuclear matter in which quarks and gluons are not bound into hadrons. In this state, matter behaves as a nearly inviscid fluid that efficiently translates initial spatial anisotropies into correlated momentum anisotropies among the produced particles, producing a common velocity field pattern known as collective flow. In recent years, comparable momentum anisotropies have been measured in small-system proton-proton ($p$$+$$p$) and proton-nucleus ($p$$+$$A$) collisions, despite expectations that the volume and lifetime of the medium produced would be too small to form a QGP. Here, we report on the observation of elliptic and triangular flow patterns of charged particles produced in proton-gold ($p$$+$Au), deuteron-gold ($d$$+$Au), and helium-gold ($^3$He$+$Au) collisions at a nucleon-nucleon center-of-mass energy $\sqrt{s_{_{NN}}}$~=~200 GeV. The unique combination of three distinct initial geometries and two flow patterns provides unprecedented model discrimination. Hydrodynamical models, which include the formation of a short-lived QGP droplet, provide a simultaneous description of these measurements.

연구 동기 및 목표

• 소형 충돌계에서의 집단 현상 조사를 동기로 삼아 제한된 부피에서의 QGP 형성을 검증한다.
• 초기 기하학적 형태(원형, 타원형, 삼각형)를 바꿀 때 플로우 관측값에 미치는 영향을 탐구한다.
• 기하 변화를 활용한 충돌에서 유체역학적 QGP 형성 대 초기상(momentum) 상관 모델을 구분한다.
• 트랜스버스 운동량(pT)의 함수로 v2와 v3를 정량화하여 시스템 간의 집단적 거동을 평가한다.

제안 방법

• sqrt(sNN) = 200 GeV에서 p+Au, d+Au, 3He+Au 충돌에서 최종 상태 입자의 방향각 분포 dN/dphi를 측정한다.
• 방향각 분포를 푸리에 급수로 분해하여 v_n(pT)와 이벤트 평면 각도 psi_n을 추출한다.
• MC Glauber 모형으로 초기 기하를 특징지어 공간 불룩함 epsilon_n을 계산한다.
• 초기 기하를 최종 상태의 플로우 패턴에 연결하기 위해 유체역학적 진화를 사용한다.
• 세 시스템 전반에 걸친 실험적 v2 및 v3 경향을 유체역학 예측과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 충돌 시스템에서도 큰 이온 충돌과 유사한 집단적 플로우 패턴이 나타날 수 있는가?
• RQ2 초기 기하학적 구성(원형, 타원형, 삼각형)이 소형 시스템에서 측정된 v2 및 v3로 어떻게 변환되는가?
• RQ3 QGP 형성을 포함한 유체역학 모델이 초기상(momentum correlation) 시나리오보다 관측된 흐름을 더 잘 설명하는가?

주요 결과

• 200 GeV에서 p+Au, d+Au, 3He+Au 충돌에서 타원형(v2) 및 삼각형(v3) 플로우가 관측된다.
• 초기 기하학은 시스템 간에 다르게 나타나며, d+Au 및 3He+Au에서 epsilon2 및 epsilon3은 고유 기하에 의해 주도되고, p+Au에서는 요동(fluctuations)에 의해 주도된다.
• 짧게 지속되는 QGP 방울을 포함하는 유체역학 모델은 세 가지 시스템에서 측정된 흐름 패턴을 동시에 설명할 수 있다.
• 데이터는 유체역학적 QGP 형성 대 비-QGP 초기 상태 운동량 상관 설명 간의 구분 테스트를 제공한다.
• 세 가지 서로 다른 초기 기하와 두 가지 흐름 패턴의 조합은 전례 없는 모델 구분을 제공한다.