[논문 리뷰] Minijet initial state of heavy-ion collisions from next-to-leading order perturbative QCD

Risto Paatelainen|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 11.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중이온 충돌에서 미니젯 초기 조건을 계산하기 위한 다음 주로 순서(NLO) 양자 chromodynamics(pQCD) 프레임워크를 제시한다. 이 프레임워크는 향상된 파arton 분포 함수와 적외선/결합 불변 측정 함수를 포함한다. NLO로 개선된 EKRT 모델은 RHIC 및 LHC 에너지에서의 거시적 관측량을 성공적으로 재현하며, QCD 물질의 온도에 따른 점성 계수의 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The aim of this thesis is to calculate field-theoretically as rigorously as possible the initial state of partonic matter produced in ultrarelativistic heavy-ion collisions at CERN-LHC and BNL-RHIC colliders. The computed minijet initial conditions are then used in the initialization of the relativistic hydrodynamical modeling of these collisions. In the theoretical introduction part the computation of parton production cross section at next-to-leading order (NLO) perturbative QCD (pQCD) is discussed. Furthermore, the full analytical calculation for the squared quark-quark scattering matrix element including the systematic ultraviolet renormalization is presented. Finally, the subtraction method allowing for the cancellation of the infrared and collinear singularities in the partonic QCD cross section at NLO is discussed. In the more phenomenological part of the thesis the original EKRT model, which combines collinearly factorized leading-order pQCD minijet production with gluon saturation, is introduced. Next, the minijet production is generalized rigorously to NLO. In particular, a new set of measurement functions is introduced to define the produced infrared- and collinear-safe minijet transverse energy, in terms of which the saturation is now formulated. Finally, the framework is updated with the latest knowledge of nuclear parton distribution functions. Using the NLO-improved EKRT model with hydrodynamics we obtained a good agreement with the measured centrality dependence of the low-transverse-momentum bulk observables, simultaneously at the LHC and RHIC. In particular, aiming at a determination of the QCD matter properties from these measurements, we were able to constrain the temperature dependence of the QCD matter shear viscosity, which is an important result.

연구 동기 및 목표

• 초기 조건의 미니젯 생성을 위한 체계적이고 장 이론적으로 엄밀한 NLO pQCD 프레임워크를 개발하기 위해.
• 감소 방법을 사용하여 파르톤 단면적의 적외선 및 결합 특이성을 다루고, 고에너지 극한에서의 재정규화를 수행하기 위해.
• NLO 보정과 업데이트된 핵물질 파톤 분포 함수를 통합하여 EKRT 모델을 일반화하기 위해.
• 적외선- 및 결합 불변 측정 함수를 사용하여 미니젯의 횡방향 에너지 정의를 개선하고, 포화 효과를 일관되게 모델링하기 위해.
• RHIC 및 LHC에서의 실험 데이터와 유체역학 시뮬레이션을 비교하여 QCD 물질의 점성 계수의 온도 의존성을 제약 조건화하기 위해.

제안 방법

• NLO에서의 쿼크-쿼크 산란 단면적의 제곱을 정확한 해석적 계산으로 수행하며, 한 개의 루프 보정 및 실방출 기여를 포함한다.
• 자기 에너지, 정점, 상자 도형에 대한 QCD 보정항을 사용하여 체계적인 고에너지 극한 재정규화를 구현한다.
• NLO 단면적에서 발생하는 적외선 및 결합 발산을 제거하기 위해 감소 방법을 적용한다.
• 적외선- 및 결합 불변 측정 함수를 새롭게 도입하여, 일관된 포화 모델링이 가능한 미니젯 횡방향 에너지 정의를 가능하게 한다.
• NLO로 개선된 미니젯 생성과 현대적인 핵물질 PDF를 통합하여 EKRT 모델을 업데이트하며, 핵물질 수정 인자도 포함한다.
• NLO로 개선된 미니젯 초기 조건을 상대론적 점성 유체역학과 결합하여 중이온 충돌에서의 거시적 관측량을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NLO pQCD는 초기 조건의 미니젯 생성을 장 이론적으로 엄밀하게 어떻게 체계적으로 적용할 수 있는가?
• RQ2 NLO 보정과 향상된 파톤 분포 함수는 포화 스케일과 초기 에너지 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NLO로 개선된 EKRT 모델은 RHIC와 LHC 에너지에서 둘 다 중심도 의존적 거시적 관측량을 동시에 잘 기술할 수 있는가?
• RQ4 점성 유체역학과 NLO 초기 조건을 포함함으로써 QCD 물질의 점성 계수 추출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실험 데이터와의 비교를 통해 점성 계수 대 엔트로피 밀도 비율의 온도 의존성에 대해 어떤 제약 조건을 둘 수 있는가?

주요 결과

• NLO로 개선된 EKRT 모델은 RHIC 및 LHC 에너지에서 측정된 중심도 의존성의 저항성 운동량 거시적 관측량과 양호한 일치를 보였다.
• NLO 보정과 업데이트된 핵물질 PDF의 포함은 미니젯 생성과 초기 에너지 밀도의 기술에 상당한 향상을 가져왔다.
• 새로운 측정 함수를 통해 프레임워크는 일관되고 적외선- 및 결합 불변인 미니젯 횡방향 에너지 정의를 가능하게 하였다.
• 모델은 QCD 물질의 점성 계수의 온도 의존성을 성공적으로 제약 조건화하였으며, 쿼크-글루온 플라즈마의 성질에 대한 핵심 물리적 통찰을 제공하였다.
• NLO 미니젯 프로그램의 수치적 구현은 전체 재정규화 및 감소를 포함하여 검증되었으며, 학위 논문의 모든 결과를 생성하는 데 사용되었다.
• NLO로 개선된 유체역학 시뮬레이션은 광범위한 에너지 범위에서 양성자-입자 $p_T$ 스펙트럼과 핵 억제 요인에 대해 실험 데이터를 재현하였다.