[논문 리뷰] Energy Dependence of Particle Production in nucleus-nucleus collisions at the CERN SPS

M. van Leeuwen|arXiv (Cornell University)|2003. 06. 02.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 CERN SPS에서 30에서 158 A GeV의 입사 에너지 범위에서 NA49 검출기 데이터를 이용해 중심부 Pb+Pb 충돌에서의 입자 생성의 에너지 의존성을 조사한다. 30 A GeV에서 $K^{+}/\pi^{+}$ 비율에 뚜렷한 최대값이 관측되며, 이는 핵-핵 충돌에 특유의 현상으로 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)로의 상전이를 시사한다. 이 결과는 표준 강입자 모델과 일치하지 않지만, $T \approx 200$ MeV에서 QGP 형성이 가정된 통계적 초기단계 모델(SMES)의 예측과 정성적으로 일치한다.

ABSTRACT

New preliminary results on kaon and pion production in central 30AGeV Pb+Pb collisions are presented. The data are compared to data at lower and higher energies to examine the energy dependence of the kaon to pion ratios and the inverse slope parameters of kaons. The results are compared to expectations from models with and without a phase transition to the Quark Gluon Plasma.

연구 동기 및 목표

• CERN SPS에서의 핵-핵 충돌에서의 이상입자 및 경입자 생성의 에너지 의존성을 조사하기 위해.
• 입자 수율 비율과 횡방향 운동량 스펙트럼을 통한 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)로의 상전이 실험적 징후를 찾기 위해.
• RQMD, UrQMD, 강입자 기체 모델 및 초기단계의 통계모델(SMES)을 포함한 이론 모델과 실험 데이터를 비교하기 위해.
• 관측된 케이온 및 피온 수율의 에너지 의존성이 상전이에 의한 것인지, 또는 새로운 상태방정식이 필요한지 결정하기 위해.

제안 방법

• 자기장 내에서 시간분해형 캐피터(TPC)와 비행시간(ToF) 검출기를 이용한 입자 궤적 추적 및 식별.
• 특히 중간 라피디티에서 이온화 에너지 손실($dE/dx$)과 비행시간 측정을 통한 입자 식별.
• $K^{+}$ 및 $K^{-}$의 횡방향 질량($m_T$) 스펙트럼 추출 및 지수분포로 피팅하여 역기울기 파arameter $T$ 결정.
• 이중 가우시안으로 라피디티 스펙트럼을 피팅하여 $\pi^{-}$, $K^{+}$, $K^{-}$의 총 수율 추출.
• $K/\pi$ 비율 및 이상입자 비율 $E_s$ 를 충돌 에너지의 함수로 계산하며, $F \approx (\sqrt{s} - 2m_N)^{3/4}/\sqrt{s}^{1/4}$로 매개변수화.
• SMES 모델(200 MeV에서 QGP 형성이 가정됨), RQMD, UrQMD 및 강입자 기체 모델의 예측과 데이터 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵-핵 충돌에서 저에너지 SPS 에너지에서 $K^{+}/\pi^{+}$ 비율이 최대값을 보이며, 이는 양성자-양성자 충돌에서는 관측되지 않는가?
• RQ2 케이온의 횡방향 질량 기울기 파arameter $T$ 는 충돌 에너지에 따라 어떻게 변화하며, 이는 초기 압력과 상태방정식에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 관측된 $K/\pi$ 비율의 에너지 의존성은 RQMD, UrQMD 또는 강입자 기체 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ4 데이터는 초기단계의 통계모델(SMES)이 예측한 바와 같이 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)로의 상전이를 지지하는가?

주요 결과

• $K^{+}$ 횡방향 질량 스펙트럼의 역기울기 파arameter $T$ 는 AGS 에너지에서 급격히 증가하고 SPS 에너지 범위(30–158 A GeV)에서 일정하게 유지되며, 이는 初기 압력의 포화를 시사한다.
• 핵-핵 충돌에서 30 A GeV에서 $K^{+}/\pi^{+}$ 비율이 뚜렷한 최대값을 보이며, 동일 에너지에서의 양성자-양성자 충돌에서는 이 특성이 관측되지 않는다.
• $K^{-}/\pi^{-}$ 비율은 $\sqrt{s}$에 따라 단조롭게 증가하지만, SPS 에너지 범위(80–158 A GeV)에서 $K^{+}/\pi^{+}$ 비율은 일정하게 유지된다.
• 데이터는 $F \approx 2.2$ GeV$^{1/2}$에서 이상입자 비율 $E_s$ 의 뚜렷한 피크를 보이며, 이는 $T=200$ MeV에서 QGP 상전이를 예측하는 SMES와 일치한다.
• 관측된 입자 수율의 에너지 의존성은 RQMD, UrQMD 또는 강입자 기체 모델로 재현될 수 없으며, 이는 뚜렷한 최대값이 없는 매끄러운 변화를 예측한다.
• QGP 형성이 $T=200$ MeV에서 가정된 SMES 모델은 데이터를 잘 기술하며, 특히 $E_s$ 의 피크와 30 A GeV에서의 $K^{+}/\pi^{+}$ 비율 피크를 잘 설명한다.