[논문 리뷰] Ensemble-mean $\bf p_t$ and hadron production in high-energy nuclear collisions

T. A. Trainor|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 30.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 핵 충돌에서 강입자 생성을 위한 이중성분 모델(TCM)을 제안하며, 집합 평균 횡방향 운동량($\bar{p}_t$)이 최소편차 다이젯 기여와 연결됨을 보여준다. 모델은 $p$-$p$ 충돌에서 $\bar{p}_{th}$(경성 성분)가 다중도와 함께 제곱법으로 스케일링됨을 보이며, Pb-Pb에서는 이크론(eikonal) 행동으로 전이되고, $p$-Pb는 중간 상태로 간주됨으로써 $\bar{p}_t$ 경향에 대한 유체역학적 해석에 도전한다.

ABSTRACT

A two-component (soft + hard) model (TCM) of hadron production in high-energy nuclear collisions is applied to ensemble-mean $p_t$ (denoted by $\bar p_t$) data for $p$-$p$, $p$-Pb and Pb-Pb collisions from the relativistic heavy ion collider (RHIC) and large hadron collider (LHC). This $\bar p_t$ TCM is directly related to a recently-published TCM for the charge-multiplicity $n_{ch}$ and collision-energy dependence of $p_t$ spectrum data from $p$-$p$ collisions. Multiplicity dependence of the $p$-$p$ spectrum hard component observed in the previous study is consistent with similar behavior for $\bar p_t$ hard component $\bar p_{th}$. $p$-$p$ $\bar p_t$ $n_{ch}$ dependence is observed to follow a noneikonal trend for the TCM hard component (dijet production $\propto n_{ch}^2$), whereas the trend for Pb-Pb collisions is consistent with the eikonal approximation assumed for the Glauber A-A centrality model. The $p$-Pb trend is intermediate, transitioning from the noneikonal $p$-$p$ trend for more-peripheral collisions to an eikonal trend for more-central collisions. The multiplicity dependence of participant number $N_{part}$ and binary-collision number $N_{bin}$ inferred from $p$-Pb $\bar p_t$ data differs strongly from a Glauber Monte Carlo model of that system. The rapid increase with $n_{ch}$ and large magnitude of $\bar p_t$ for the $p$-$p$ and $p$-Pb systems suggests that minimum-bias jets (TCM hard component) dominate $\bar p_t$ variation. The trend for $\bar p_{th}$ in Pb-Pb collisions is consistent with quantitative modification of jet formation in more-central A-A collisions.

연구 동기 및 목표

• 부드럽고 딱딱한 강입자 생성에 대한 이중성분 모델(TCM)을 사용하여 $p$-$p$, $p$-Pb, Pb-Pb 충돌에서의 $\bar{p}_t$ 경향을 해석하는 것.
• $\bar{p}_t$ 변화가 제트 생성에 기인하는지 아니면 유체역학적 유동 메커니즘에 기인하는지 판단하는 것.
• $p$-$p$ 및 $p$-Pb 시스템에서의 다이젯 생성 및 제트 분할과의 일관성을 검증하기 위해 $\bar{p}_{th}$의 다중도 의존성 검증.
• A-A 충돌에서의 $\bar{p}_t$ 거동이 글라우버 중심성 모델과 일치하는지 여부 또는 수정된 제트 역학이 필요한지 평가하는 것.
• $\bar{p}_t$ TCM 매개변수와 별도로 측정된 제트 스펙트럼 및 분할 함수 사이의 직접적인 정량적 연관성 수립.

제안 방법

• TCM은 $p_t$ 스펙트럼을 부드러운(열역학적 유사) 성분과 딱딱한(다이젯) 성분의 합으로 모델링하며, 딱딱한 성분은 부드러운 성분의 밀도 $\bar{\rho}_s = n_s / \Delta\eta$ 의 함수로 표현되는 가우시안 폭 $\sigma_{y_t+}$, $\sigma_{y_t-}$ 및 지수 尾 꼬리 매개변수 $q$ 로 기술된다.
• $\bar{p}_t$ 딱딱한 성분 $\bar{p}_{th}(n_s, \sqrt{s})$ 는 TCM 스펙트럼 모델에서 유도되며, RHIC 및 LHC 에너지에서의 $p$-$p$, $p$-Pb, Pb-Pb 충돌에서의 $\bar{p}_t$ 데이터에 적합된다.
• $\bar{p}_{th}$ 의 $n_{ch}$ 의 의존성을 분석하여, $p$-$p$에서 관찰된 비이크론 $n_{ch}^2$ 경향 또는 중앙 A-A에서의 이크론 경향을 따르는지 테스트한다.
• 모델은 이전에 200 GeV 및 13 TeV에서의 $p$-$p$ 충돌의 $p_t$ 스펙트럼 분석에서 유도된 형태를 사용하여 $\bar{\rho}_s$ 의 함수로 $\sigma_{y_t+}$, $\sigma_{y_t-}$, $q$ 를 매개변수화한다.
• $p$-Pb 시스템은 효과적인 참여자 쌍의 수에 기반하여 $p$-$p$(비이크론)와 Pb-Pb(이크론) 행동 사이의 전이로 모델링된다.
• TCM은 예측된 $\bar{p}_{th}$ 를 측정된 제트 스펙트럼 및 분할 함수와 비교하여 검증되며, 다이젯 생성과의 정량적 일치를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TCM이 제안하는 바와 같이, $p$-$p$ 충돌에서의 $\bar{p}_t$ 경향이 최소편차 다이젯 생성에 기인하는가?
• RQ2 $p$-Pb 충돌에서 $\bar{p}_{th}$ 의 다중도 의존성이 $p$-$p$와 Pb-Pb 행동 사이에서 어떻게 전이되는가?
• RQ3 Pb-Pb에서의 $\bar{p}_t$ 딱딱한 성분이 중앙 충돌에서 이크론 스케일링과 일치하는가 아니면 수정된 제트 역학이 필요한가?
• RQ4 $p$-$p$, $p$-Pb, Pb-Pb에서의 $\bar{p}_t$ 데이터가 흐름역학적 유동을 도입하지 않고도 단일 TCM 프레임워크로 정량적으로 기술될 수 있는가?
• RQ5 TCM의 $\bar{p}_{th}$ 매개변수들이 분할 및 횡방향 운동량 분포와 같은 측정된 제트 특성과 어느 정도 반영되는가?

주요 결과

• $p$-$p$ 충돌에서의 $\bar{p}_{th}$ 성분은 다중도($n_{ch}^2$)와 함께 제곱법으로 스케일링되며, 비이크론 다이젯 생성과 일치한다.
• $p$-Pb의 $\bar{p}_t$ 경향은 외곽 충돌에서는 $p$-$p$ 유사한 비이크론 행동에서 중심 충돌에서는 이크론 유사 행동으로 전이된다.
• Pb-Pb에서의 $\bar{p}_{th}$ 다중도 의존성은 글라우버 A-A 중심성 모델에서 가정된 이크론 근사와 일치한다.
• $p$-Pb의 $\bar{p}_t$ 데이터에서 유추된 $N_{part}$ 및 $N_{bin}$ 은 글라우버 몬테카를로 모델의 예측과 상당히 다름을 보이며, 비정상적인 기하학적 효과를 시사한다.
• Pb-Pb에서의 $\bar{p}_{th}$ 성분은 측정된 제트 스펙트럼 및 분할과 정량적으로 일치하며, 다이젯 기원을 확인한다.
• TCM은 흐름역학적 유동을 도입할 필요 없이 단지 몇 가지 매개변수로 모든 시스템에서의 $\bar{p}_t$ 데이터를 정밀하고 단순하게 기술한다.