[논문 리뷰] Net-proton number fluctuations and the Quantum Chromodynamics critical point

J. Adam, L. Adamczyk외 347명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 10.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 RHIC에서 중심부의 Au+Au 충돌에서 중심질량 에너지(√sNN)에 대한 네트워크 프로톤 휘도 × 분산의 비단조화적 변동에 대한 첫 번째 증거를 제시한다. 이는 양성강역학(QCD) 임계점의 가능성을 시사한다. STAR 검출기로 측정한 결과, 비단조화적 행동이 3.1σ의 유의수준을 보였으며, 비중앙 충돌과 임계점을 포함하지 않는 모델은 단조로운 행동을 보였다.

ABSTRACT

Observations from collisions of heavy-ion at relativistic energies have established the formation of a new phase of matter, Quark Gluon Plasma (QGP), a deconfined state of quarks and gluons in a specific region of the temperature versus baryonic chemical potential phase diagram of strong interactions. A program to study the features of the phase diagram, such as a possible critical point, by varying the collision energy (<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math>), is performed at the Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) facility. Non-monotonic variation with <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math> of moments of the net-baryon number distribution, related to the correlation length and the susceptibilities of the system, is suggested as a signature for a critical point. We report the first evidence of a non-monotonic variation in kurtosis × variance of the net-proton number (proxy for net-baryon number) distribution as a function of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math> with 3.1 σ significance, for head-on (central) gold-on-gold (Au+Au) collisions measured using the STAR detector at RHIC. Non-central Au+Au collisions and models of heavy-ion collisions without a critical point show a monotonic variation as a function of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math>.

연구 동기 및 목표

• 강한 상호작용의 단계도에서 양성강역학(QCD) 임계점의 징후를 찾기 위해.
• 네트워크 바리온 분포의 고차수 모멘트에서 비단조화적 변동이 임계 행동을 나타내는지 조사하기 위해.
• 임계점이 네트워크 프로톤 변동 측정치의 비단조화적 에너지 의존성으로 나타날 것이라는 가설을 시험하기 위해.
• 중앙 및 비중앙 Au+Au 충돌의 결과를 비교하여 임계 변동과 배경 효과를 구별하기 위해.
• 실험적 데이터에 기반한 중이온 충돌 이론 모델을 네트워크 프로톤 변동에 대해 검증하기 위해.

제안 방법

• RHIC에서 다양한 √sNN 에너지 범위에서 중심부 및 비중앙 Au+Au 충돌에서 네트워크 프로톤 수 분포를 측정하기 위해.
• STAR 검출기를 사용하여 프로톤과 반프로톤을 재구성하고, 수확량에서 네트워크 프로톤 분포를 계산하기 위해.
• √sNN에 따른 네트워크 프로톤 분포의 휘도 × 분산을 계산하여 임계 변동을 탐색하기 위해.
• 유의수준 평가를 위한 통계 분석을 적용하였으며, 비단조화적 행동에 대해 3.1σ의 유의수준이 보고되었다.
• 임계점을 포함하지 않는 중이온 충돌 모델과 실험 결과를 비교하여 신호와 배경을 구별하기 위해.
• 임계 현상에 대한 민감도를 극대화하기 위해 중심(직진) 충돌에 집중하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN에 따른 네트워크 프로톤 분포의 휘도 × 분산이 비단조화적 행동을 보이며 QCD 임계점의 존재를 시사하는가?
• RQ2 중앙 Au+Au 충돌에서의 네트워크 프로톤 변동 측정치는 비중앙 충돌 및 이론 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 관측된 네트워크 프로톤 변동의 에너지 의존성은 QCD 단계도의 임계점 존재와 일치하는가?
• RQ4 변동 측정치의 비단조화적 변동은 배경 효과 또는 비임계 역학과 구별될 수 있는가?
• RQ5 RHIC에서 임계점 탐색의 맥락에서 관측된 비단조화성의 유의수준은 무엇인가?

주요 결과

• 중앙 Au+Au 충돌에서 네트워크 프로톤 분포의 휘도 × 분산이 √sNN에 따라 비단조화적으로 변동한다.
• 이 비단조화적 행동에 대해 3.1σ의 유의수준이 관측되어 임계점 존재 가능성에 대한 첫 번째 증거를 제공한다.
• 비중앙 Au+Au 충돌은 동일한 변동 측정치에서 단조로운 변동을 보이며, 이는 신호가 기하학적 또는 수확 범위 효과가 아니라는 것을 시사한다.
• 임계점을 포함하지 않는 중이온 충돌 모델은 오직 단조로운 행동을 재현하며, 이는 신호가 임계적임을 지지하는 데 기여한다.
• 관측된 비단조화성은 QCD 단계도에서 제2종 상전이 및 임계점에 대한 이론적 예측과 일치한다.
• 이 분석에서 네트워크 프로톤은 네트워크 바리온 수의 신뢰할 수 있는 대체 측정치로 간주되며, 임계점 탐색에서의 사용을 검증한다.