[논문 리뷰] Initial state geometry and fluctuations in Au+Au, Cu+Au and U+U collisions at RHIC

Bjoern Schenke, Prithwish Tribedy외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 10.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 RHIC에서의 Cu+Au, Au+Au 및 U+U 충돌에서 초기 상태 기하학과 변동성을 IP-Glasma 및 이중성분 MC-Glauber 모델을 사용하여 비교한다. 연구 결과, 다양한 시스템 간에 참가자 쌍당 입자 수 밀도는 유사하지만, 타원도는 특히 중심 충돌에서 크게 다름을 확인하였으며, 이벤트별 타원도 분포는 Cu+Au에서 Au+Au나 U+U보다 넓게 나타남을 발견하였다. 주요 발견은 초중앙 U+U 및 Au+Au 충돌에서 입자 수와 타원도 간의 상관관계가 모델에 따라 크게 달라지며, IP-Glasma는 약한 반상관관계를 예측하고 MC-Glauber는 강한 상관관계를 예측한다는 점으로, 입자 생성 메커니즘을 구분할 수 있는 명확한 실험적 지표를 제공한다.

ABSTRACT

We study within the IP-Glasma and two-component MC-Glauber models the effects of initial state geometry and fluctuations on multiplicities and eccentricities for several collision species at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). These include copper-gold (Cu+Au), gold-gold (Au+Au), and uranium-uranium (U+U) collisions. The multiplicity densities per participant pair are very similar in all systems studied. Ellipticities vary strongly between collision systems, most significantly for central collisions, while fluctuation driven odd moments vary little between systems. Event-by-event distributions of eccentricities in mid-central collisions are wider in Cu+Au relative to Au+Au and U+U systems. An anti-correlation between multiplicity and eccentricity is observed in ultra central U+U collisions which is weaker in the IP-Glasma model than the two-component MC-Glauber model. In ultra central Au+Au collisions the two models predict opposite signs for the slope of this correlation. Measurements of elliptic flow as a function of multiplicity in such central events can therefore be used to discriminate between models with qualitatively different particle production mechanisms.

연구 동기 및 목표

• RHIC에서 다양한 무거운 이온 충돌 시스템에서의 초기 상태 기하학과 변동성이 입자 수 및 타원도 분포에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• IP-Glasma 모델(색 유리 응축체 프레임워크 기반)과 이중성분 MC-Glauber 모델의 예측을 Cu+Au, Au+Au 및 U+U 충돌에 대해 비교하기 위해.
• 충돌 기하학과 핵의 비대칭성에 따른 이벤트별 타원도 분포 및 입자 수-타원도 상관관계의 민감도 평가하기 위해.
• IP-Glasma와 체계적 모델(예: MC-Glauber) 간의 입자 생성 메커니즘을 구분할 수 있는 관측 가능한 서명(특히 초중앙 충돌에서)을 식별하기 위해.
• 특히 초중앙 충돌에서의 초기 에너지 밀도 증가 및 이sovotropic 흐름 및 입자 수 상관관계 조절에 핵의 비대칭성이 미치는 영향 평가하기 위해.

제안 방법

• 3차원 기하학에서 뭉친 구리의 양성자 분포와 고전 양-밀스 역학을 통합한 IP-Sat 두 개체 모델을 활용하여 Glasma 필드의 초기 상태 변동성을 시뮬레이션하기 위해 IP-Glasma 모델을 사용함.
• 이중성분 MC-Glauber 모델을 사용하여 이진 충돌과 참가자 수를 모델링하고, $N_{\rm coll}$-의존적 입자 수를 포함한 부정적 이항분포 입자 수 변동성을 적용함.
• Au+Au 충돌은 $\sqrt{s_{NN}} = 200$ GeV, U+U 충돌은 $193$ GeV에서 시뮬레이션하며, Cu+Au는 $200$ GeV에서 수행함. U+U 충돌에는 랜덤 및 톱-톱 구성 포함.
• 중심도 및 충돌 시스템에 따라 $n=2,3,4,5$에 대한 이벤트별 타원도 $\varepsilon_n$ 분포를 계산하고, 중심도 의존성 분석함.
• 초중앙 이벤트(0–1% 중심도)에서 입자 수 ($dN_{\rm ch}/d\eta$)와 타원도($\varepsilon_2$) 간의 상관관계를 두 모델 모두에서 계산함.
• 특히 중심 및 초중앙 충돌에서의 입자 수-타원도 상관관계 기울기를 중심으로 시스템 및 모델 간 결과 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RHIC에서의 Cu+Au, Au+Au 및 U+U 충돌에서 초기 상태 기하학과 변동성이 입자 수 및 타원도 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이벤트별 타원도 분포를 형성하는 데 있어 기하학적 변동, 영향 매개변수, 핵의 비대칭성 중 어느 것이 상대적으로 더 중요한가?
• RQ3 초중앙 충돌에서 IP-Glasma 모델과 이중성분 MC-Glauber 모델 간의 입자 수-타원도 상관관계 예측에 어떤 차이가 있는가?
• RQ4 변동성에 의해 유도된 홀수 차수의 타원도($\varepsilon_3$, $\varepsilon_5$)는 서로 다른 충돌 시스템 간에 얼마나 다를까?
• RQ5 초중앙 U+U 및 Au+Au 충돌에서의 입자 수-타원도 상관관계 측정 결과를 통해 ab initio(예: IP-Glasma) 모델과 체계적 모델(MC-Glauber) 간의 입자 생성 메커니즘을 실험적으로 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 두 모델 모두에서 Cu+Au, Au+Au 및 U+U 충돌에서 참가자 쌍당 입자 밀도는 매우 유사하며, 참가자 당 입자 생성의 보편적 스케일링을 시사함.
• 타원도($\varepsilon_2$)는 시스템 간에 뚜렷한 차이를 보이며, 기하학적 평균화로 인해 Cu+Au에서 $dN_{\rm ch}/d\eta$가 낮을수록 $\varepsilon_2$가 더 빠르게 감소함.
• 중앙부 중심도(20–30%)에서 이벤트별 $\varepsilon_2$ 분포는 Cu+Au에서 Au+Au 및 U+U보다 넓어 기하학적 변동의 다양성이 더 큼.
• 초중앙 U+U 충돌에서 IP-Glasma 모델은 입자 수와 $\varepsilon_2$ 간의 반상관관계를 매우 약하게 예측하는 반면, 이중성분 MC-Glauber 모델은 강한 상관관계를 예측함. 이는 IP-Glasma에서 $N_{\rm coll}$ 의존성이 명시적으로 포함되어 있지 않기 때문임.
• 0–1% Au+Au 충돌에서 두 모델은 입자 수-$\varepsilon_2$ 상관관계의 부호가 반대를 보임: MC-Glauber는 양의 상관관계, IP-Glasma는 약한 반상관관계. 이는 명확한 실험적 구분 지표를 제공함.
• 변동성에 의해 유도된 홀수 차수 타원도($\varepsilon_3$, $\varepsilon_5$)는 시스템 간에 매우 유사한 반면, $\varepsilon_4$는 충돌하는 핵에 대해 약한 민감도를 보이며, 짝수 및 홀수 타원도 모드의 기원이 다름을 시사함.