[논문 리뷰] Searching for the Subatomic Swirls in the CuCu and CuAu Collisions

Shuzhe Shi, Kangle Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 04.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 RHIC에서의 CuCu 및 CuAu 충돌을 사용하여 쿼크-글루온 플라즈마 내에서의 초원자 수준의 소용돌이—매우 강한 소용돌이성 유동—를 검증하기 위한 독립적인 실험적 탐사수단으로 제안한다. AMPT 운동모형을 사용하여, 유동 소용돌이도가 유사하나, 더 작은 시스템에서 더 빨리 진전되는 점을 감안할 때, CuCu 및 CuAu 시스템에서 AuAu보다 더 강한 $\lambda$ 하이퍼온 극화를 예측한다. 이는 시험 가능한 계층: CuCu $>$ CuAu $>$ AuAu 를 제공한다.

ABSTRACT

Recently the STAR Collaboration discovered the "subatomic swirls", that is, the most vortical fluid flow structures in the quark-gluon plasma produced via the AuAu collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Published in Nature and featured as a cover story, this discovery attracted significant interest and generated wide enthusiasm. For such an important finding, it is crucial to look for independent evidences of confirmation and to critically test the current interpretation of the global polarization measurement. We suggest that the CuCu and CuAu colliding systems at RHIC provide such opportunity. Interestingly, our calculations reveal that the fluid vorticity in the CuCu or CuAu collision is comparable to that in the AuAu Collision. Surprisingly, we find the computed $Λ$ hyperon polarization effect is stronger in the CuCu and CuAu systems than the AuAu system at the same collisional beam energy and centrality class, with an interesting hierarchy CuCu $>$ CuAu $>$ AuAu due to interplay between $Λ$ production timing and the time evolution of the vorticity. These predictions can be readily tested by experimental data.

연구 동기 및 목표

• STAR 협동작업의 글로벌 하이퍼온 극화 발견을 독립적인 실험적 증거로 제시하여 쿼크-글루온 플라즈마 내에서의 초원자 수준의 소용돌이를 뒷받침한다.
• 극화 데이터가 유동 소용돌이로 인한 것으로 해석될 수 있는지, 유사한 소용돌이도를 가지나 초기 기하학적 구조와 진전 역학이 다른 시스템을 비교하여 검증한다.
• 하이퍼온 생성 시점이 다양한 충돌 시스템에서 극화 신호에 어떤 영향을 미치는지 조사한다.
• CuCu, CuAu, 그리고 AuAu 시스템 간의 측정 가능한 극화 차이를 예측하여 직접적인 실험적 비교를 가능하게 한다.

제안 방법

• RHIC 에너지에서의 중이온 충돌을 시뮬레이션하기 위해 AMPT 운동모형의 스트링-융해 버전을 사용한다.
• 입자 수율, 횡방향 운동량 스펙트럼, 타원류동을 재현할 수 있도록 캘리브레이션된 일관된 모델 파rameter를 사용한다.
• CuCu, CuAu, 그리고 AuAu 시스템에서의 유동 소용돌이($\langle\omega_y\rangle$)의 시간 진전을 추적하여 소용돌이 크기와 진전 역학을 비교한다.
• 냉각 시점에서의 유동 소용돌이와의 상관관계를 통해 $\Lambda$ 하이퍼온의 극화를 계산한다.
• 2차 관측량으로서 $\phi$ 메손의 극화를 분석하며, 이는 제곱항 차수의 회전 효과를 평가하기 위해 $S_{\hat{p}}=0$ 상태의 편이를 집중적으로 고려한다.
• 다양한 시스템 간의 극화 계층을 비교하여 생성 시점과 소용돌이 진전의 영향을 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 빔 에너지와 중심도에서 CuCu 및 CuAu 충돌의 유동 소용돌이도가 AuAu 충돌과 일치하는가?
• RQ2 유사한 소용돌이도를 보일지라도, 왜 $\Lambda$ 하이퍼온 극화 신호가 CuCu 및 CuAu에서 AuAu보다 더 강하게 나타나는가?
• RQ3 $\Lambda$ 하이퍼온 생성 시점이 다양한 충돌 시스템에서 최종 극화 신호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 $\phi$ 메손의 극화는 소용돌이 효과를 보완하는 데 유용한 탐사수단이 될 수 있으며, 이는 유사한 계층을 보일까?
• RQ5 시간에 따른 소용돌이 진전이 관측된 극화 계층을 형성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 동일한 빔 에너지와 중심도에서 CuCu 및 CuAu 충돌의 유동 소용돌이도가 정량적으로 AuAu 충돌과 유사한 크기와 시간 진전을 보인다.
• $\Lambda$ 하이퍼온 극화 신호는 CuCu에서 가장 강하고, CuAu에서 그 다음이며, AuAu에서 가장 약한 순서로 나타나며, 명확한 계층: CuCu $>$ CuAu $>$ AuAu 를 형성한다.
• 이 계층은 $\Lambda$ 하이퍼온이 CuCu에서 더 이르게 생성되고, AuAu에서는 더 늦게 생성되며, 화염병의 초기 단계에서 더 높은 소용돌이도를 경험하기 때문에 발생한다.
• $\Lambda$ 하이퍼온 극화 신호는 소용돌이도의 선형 차수 효과이므로, 피크 소용돌이도 시점에 비해 생성 시점의 영향에 매우 민감하다.
• $\phi$ 메손 극화 신호는 크기는 작지만, 마찬가지로 계층(CuCu $>$ CuAu $>$ AuAu)을 보이며, 크기는 약 $2\sim5\times10^{-3}$ 수준이다. 이는 제곱항 차수의 소용돌이 보정에 기인한다.
• 결과는 CuCu 및 CuAu 충돌이 AuAu 충돌에서 관측된 글로벌 하이퍼온 극화의 회전 기원을 검증하기 위한 청결하고 독립적인 실험 플랫폼을 제공할 수 있음을 시사한다.