[논문 리뷰] Statistical Model of the Early Stage of nucleus-nucleus collisions with exact strangeness conservation

Roman V. Poberezhnyuk, M. Gaździcki외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 19.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 소형 시스템인 p+p 및 경질핵에서 정확한 스트랭지 량수 보존을 위해 캐논리컬 엔sembles(CE)를 사용하는 통계적 초기 단계 모델(SMES)을 확장한다. 이는 저에너지에서 스트랭지 생성을 정확하게 모델링할 수 있게 한다. SPS 에너지에서의 p+p 충돌에서 CE는 그랜드 캐논리컬 엔셈블(GCE) 대비 스트랭지-엔트로피 비율을 최대 2배까지 억제하며, 이는 NA61/SHINE 데이터에서 관측된 억제 현상을 SMES 이론 내에서 새로운 물리학 없이 설명할 수 있게 한다.

ABSTRACT

The Statistical Model of the Early Stage, SMES, describes a transition between confined and deconfined phases of strongly interacting matter created in nucleus-nucleus collisions. The model was formulated in the late 1990s for central Pb+Pb collisions at the CERN SPS energies. It predicted several signals of the transition (onset of deconfinement) which were later observed by the NA49 experiment. The grand canonical ensemble was used to calculate entropy and strangeness production. This approximation is valid for reactions with mean multiplicities of particles carrying conserved charges being significantly larger than one. Recent results of NA61/SHINE on hadron production in inelastic p+p interactions suggest that the deconfinement may also take place in these reactions. However, in this case mean multiplicity of particles with non-zero strange charge is smaller than one. Thus for the modeling of p+p interactions the exact strangeness conservation has to be implemented in the SMES. This extension of the SMES is presented in the paper.

연구 동기 및 목표

• 원래 SMES가 그랜드 캐논리컬 엔셈블(GCE)을 사용하여 평균 스트랭지 입자 수가 1 미만인 p+p 충돌과 같은 소형 시스템에서 스트랭지 생성을 모델링하는 데에 한계가 있음을 해결하기 위함.
• NA61/SHINE에서 관측된 비단조화적인 에너지 의존성에 기인한 비탄성 p+p 상호작용에서 K⁺/π⁺ 비율이 SMES 프레임워크 내에서 탈구속화의 기원에 의해 설명될 수 있는지 조사하기 위함.
• SMES에 정확한 스트랭지 량수 보존을 캐논리컬 엔셈블(CE)을 사용하여 구현하여 유한 체적 시스템에서 보존되는 양자수를 적절히 처리하기 위함.
• 특히 혼합 상이 존재하는 영역 근처에서, SPS 에너지 범위 전체에 걸쳐 p+p 및 중심부 Pb+Pb 충돌에서의 스트랭지-엔트로피 비율을 비교하기 위함.

제안 방법

• 모델은 스트랭지 양자수의 정확한 보존을 위해 캐논리컬 엔셈블(CE)을 사용하며, 원래 SMES에서 사용된 그랜드 캐논리컬 엔셈블(GCE)을 대체한다.
• CE 설정은 모든 스트랭지 및 반스트랭지 입자 수의 총합이 고정되어 있으며, 스트랭지 쿼크 및 반스트랭지 쿼크 수의 합이 0이 되도록 보장한다.
• 시스템은 고정된 에너지, 부피, 보존된 전하(스트랭지 포함) 조건 하에 최대 엔트로피의 열역학적 엔셈블로 간주하며, 분할 함수에 대해 안장점 근사법을 적용한다.
• p+p (Ap=1), 3He+3He (Ap=3), 5Li+5Li (Ap=5) 충돌에 대해 에너지 의존성의 스트랭지-엔트로피 비율을 계산하고, GCE 근사값(Ap≫1)과 비교한다.
• CE 대비 GCE에서의 스트랭지 생산의 억제 정도를 정량화하기 위해 이중 비율 r = [nˢ/s]_CE / [nˢ/s]_GCE 를 계산한다.
• 결과는 혼합 상 영역 근처 √sNN ≈ 7.3 GeV에서 제시되며, 낮은(5 GeV) 및 높은(20 GeV) 에너지에서의 비교를 통해 에너지 의존성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SMES에 정확한 스트랭지 량수 보존을 포함시켰을 때, SPS 에너지에서 비탄성 p+p 충돌에서 관측된 K⁺/π⁺ 비율의 억제 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 소형 시스템에서 참가자 수(Ap)에 따라 캐논리컬 엔셈블의 스트랭지-엔트로피 비율 억제 정도는 어떻게 변하는가?
• RQ3 GCE 대비 CE 처리가 p+p 충돌에서의 스트랭지-엔트로피 비율의 에너지 의존성 예측에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 정확한 스트랭지 량수 보존을 고려한 SMES는 NA61/SHINE에서 p+p 상호작용에서 관측된 '호른' 구조의 정성적 특성을 재현할 수 있는가?
• RQ5 동일 에너지에서 p+p 충돌에서의 스트랭지 억제 정도는 중심부 Pb+Pb 충돌 대비 얼마나 큰가? 이는 충돌 에너지에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• √sNN ≈ 7.3 GeV에서 p+p 충돌에서 캐논리컬 엔셈블(CE)은 그랜드 캐논리컬 엔셈블(GCE) 결과 대비 스트랭지-엔트로피 비율을 약 2배까지 억제한다.
• 이 억제 효과는 저에너지 및 소형 시스템에서 가장 강력하며, 참가자 수(Ap)가 증가함에 따라 CE 억제 정도가 크게 감소한다.
• Ap > 10일 경우 CE 억제 효과는 무시할 수 없으며, CE 결과는 GCE 근사값에 가까워지며, 중심부 Pb+Pb 충돌에서는 GCE가 좋은 근사임을 나타낸다.
• CE를 사용하여 계산한 p+p 충돌에서의 스트랭지-엔트로피 비율의 에너지 의존성은 NA61/SHINE에서 관측한 실험적 K⁺/π⁺ 비율과 정성적으로 유사하다.
• Ap=1일 경우, 특히 5 GeV와 같이 저에너지에서 이중 비율 r = [nˢ/s]_CE / [nˢ/s]_GCE 는 1보다 크게 낮아져 소형 시스템에서 강한 억제가 있음을 나타낸다.
• 모델은 혼합 상 영역(√sNN ≈ 7–11 GeV)에서 p+p 상호작용에서의 스트랭지-엔트로피 비율이 중심부 Pb+Pb 충돌 대비 약 2배 작다고 예측한다.