[논문 리뷰] Relativistic kinetic approach to light nuclei production in high-energy nuclear collisions

Kai-Jia Sun, Rui Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 24.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 43인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 핵물리 충돌에서의 경미한 핵의 생성을 기술하기 위해 유한한 크기의 경미한 핵을 포함한 상대론적 운동론적 접근을 개발한다. 확률적 방법으로 운동방정식을 해결하고, 양성자 군집화 역학을 통합함으로써, RHIC 및 LHC 에너지에서의 Au+Au 및 pp 충돌에서 디테론과 헬륨-3의 횡방향 운동량 스펙트럼을 정확히 재현하며, 소형 시스템에서 관측된 경미한 핵 생성의 억제 현상이라는 오랫동안 해결되지 않은 수수께끼를 해결한다.

ABSTRACT

Understanding the production mechanism of light (anti-)nuclei in high-energy nuclear collisions and cosmic rays has been a long-standing problem in nuclear physics. In the present study, we develop a stochastic method to solve the relativistic kinetic equations for light nuclei production from many-body reactions with the inclusion of their finite sizes. The present approach gives an excellent description of the deuteron and helium-3 data from central Au+Au (Pb+Pb) collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ $=$ $200~ m GeV$ ($2.76~ m TeV$). It can also naturally explain their suppressed production in $pp$ collisions at 7 TeV as a result of their finite sizes.

연구 동기 및 목표

• 소형 시스템(예: pp)에서 유한한 크기 효과가 무시할 수 없는 상황에서 오랫동안 해결되지 않은 경미한 (반)핵의 생성이 억제되는 문제를 다루기 위해.
• 경미한 핵(예: 디테론 및 $^3$He)의 형성 및 탑재 과정에서 핵의 공간적 크기를 고려한 상대론적 운동론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 통계적 하드론화 및 단순한 공간적 응집 모형과 같은 기존 모형을 넘어서, 유한한 크기 효과를 포함한 다체 반응 속도의 동적 특성을 통합함으로써 개선하기 위해.
• 대규모 및 소규모 시스템에서의 최종 경미한 핵 수율을 결정하는 하드론화와 이후의 하드론 재결합의 상대적 기여를 명확히 하기 위해.
• Au+Au, Pb+Pb, pp 등 다양한 시스템에서의 경미한 핵 생성을 통합적으로 기술하는 모형을 제공하여 시스템 크기 의존성 억제 현상을 고려하기 위해.

제안 방법

• 연구는 밀도 높은 하드론 물질 내 다체 역학을 체계적으로 다룰 수 있도록, 닫힌 시간 경로 위에서 시간 순서의 그린 함수로부터 유도된 상대론적 운동방정식을 사용한다.
• 복잡한 다체 반응(경미한 핵과 그 분해 경로 포함)을 포함하기 위해, 운동방정식을 해결하기 위해 확률적 시뮬레이션 방법을 사용한다.
• 유한한 크기 효과는 그린 함수의 기울기 전개를 통해 포함되며, 군집 내 양성자 간 상대 좌표를 명시적으로 유지한다.
• 충격 근사법을 적용하여 $\pi d \leftrightarrow \pi NN$ 와 같은 반응의 전이 진폭을 평가하며, 디테론의 한 양성자가 타격을 받고 다른 한 개는 준자유 상태로 간주한다.
• 초기 하드론 분포는 MUSIC 유체역학 모형 또는 AMPT 운동론 모형에서 생성되어 시스템의 현실적인 시공간 진화를 제공한다.
• 모형은 QGP의 하드론화와 후행적 동결 이후 하드론 재결합을 모두 다루며, 특히 유한한 크기 효과를 포함할 경우 초기 조건에 민감하게 반응한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 7 TeV에서의 pp 충돌에서 디테론과 $^3$He와 같은 경미한 핵이 고에너지 핵물리 충돌에서 생성되는데도 불구하고, 왜 그들의 수율이 억제되는가?
• RQ2 밀도 높은 하드론 물질 내에서 경미한 핵의 유한한 공간적 크기가 그들의 형성 및 분해 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 조건(예: 하드론화 시점에서의 경미한 핵 수율)이 소형 시스템(pp)에서의 최종 관측 스펙트럼에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 유한한 크기 효과를 포함한 동적 운동론적 모형이 중심부 Au+Au/Pb+Pb 및 pp 충돌에서의 $d$와 $^3$He의 실험적 $p_T$ 스펙트럼을 재현할 수 있는가?
• RQ5 소형 충돌 시스템에서 경미한 핵 생성에 있어 하드론화와 하드론 재결합의 상대 기여는 어느 정도인가?

주요 결과

• pp 충돌에서 $\sqrt{s_{\rm NN}} = 7~{\rm TeV}$ 시점에서 디테론과 $^3$He의 억제된 $p_T$ 스펙트럼을 재현하기 위해 유한한 크기 효과를 포함하는 것이 필수적이다. 이는 핵을 점입자로 간주할 경우 그 스펙트럼이 과도하게 예측되기 때문이다.
• 중심부 Au+Au 및 Pb+Pb 충돌에서 $\sqrt{s_{\rm NN}} = 200~{\rm GeV}$ 및 $2.76~{\rm TeV}$ 조건에서, 모형은 $d$와 $^3$He의 측정된 $p_T$ 스펙트럼을 전역적인 횡방향 운동량 범위에서 양호한 일치로 잘 기술한다.
• pp 충돌에서 $d$와 $^3$He의 최종 수율은 초기 하드론화 조건에 민감하게 반응하며, 특히 유한한 크기 효과를 포함할 경우 그렇다. 이는 대규모 시스템에서는 장기간의 하드론 진화 동안 초기 조건이 소멸되기 때문에 다른 결과를 보인다.
• 모형은 pp 충돌에서 짧은 시간 척도(~수 초미터/$c$) 내에 하드론 재결합 속도가 화학적 평형에 도달하기에는 부족함을 보여주며, 이는 초기 조건과 유한한 크기 효과가 최종 수율에 결정적인 영향을 미친다는 것을 의미한다.
• pp 충돌 예측의 이론적 불확실성(그림 3(d)의 색칠된 밴드로 표현됨)은 주로 소형 시스템에서의 캐논리컬 효과 영향을 받는 초기 $d$ 및 $^3$He 수율에 기인한다.
• 이 모형은 통계적 하드론화 및 응집 모형에 대한 동적 대안을 제공하며, 열적 평형 상태의 균일한 물질에서만 그로 수렴된다.