[논문 리뷰] Thermal photon production from gluon fusion induced by magnetic fields in relativistic heavy-ion collisions

Alejandro Ayala, Jorge David Castaño‐Yepes외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 10.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 18인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 중수성 이온 충돌의 초기 단계에서 강한 자기장에 의해 유도된 글루온 융합에 의해 발생하는 열광자 생성을 제안한다. 양자 chromodynamics의 섭동 이론을 사용하며, 자기장 내에서의 쿼크 전파함수를 고려하여, 광자 수확량이 $ (eB)^2/T $ 비례함을 계산하였다. 이는 실제 $ T \approx 300-350\,\text{MeV} $, $ eB \sim 10^4\,\text{MeV}^2 $, $ g=1 $ 조건에서 RHIC 및 LHC의 실험적 과잉 광자 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 자기장에 의해 유도된 과정이 관측된 광자 과잉의 기원임을 지지한다.

ABSTRACT

We compute the production of thermal photons in relativistic heavy-ion collisions by gluon fusion in the presence of an intense magnetic field, and during the early stages of the reaction. This photon yield is an excess over calculations that do not consider magnetic field effects. We add this excess to recent hydrodynamic calculations that are close to describing the experimental transverse momentum distribution in RHIC and LHC. We then show that with reasonable values for the temperature, magnetic field strength, and strong coupling constant, our results provide a very good description of such excess. These results support the idea that the origin of at least some of the photon excess observed in heavy-ion experiments may arise from magnetic field induced processes.

연구 동기 및 목표

• 강한 자기장이 초기 단계에서 발생하는 상대론적 중이온 충돌에서 표준 유체역학 모델을 초월해 추가적인 열광자 생성을 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 자기장이 존재하는 조건에서 글루온 융합이 관측된 저전위 에너지 광자 스펙트럼 과잉에 기여하는 정도를 정량화하기 위해.
• 자기장에 의해 유도된 광자 방출이 저 $ p_T $ 영역에서 실험 데이터와 유체역학 계산 간의 괴리, 즉 불일치를 설명할 수 있는지 확인하기 위해.
• 자기장이 저전위 에너지 광자 분포의 방향 분포에서 관측된 큰 $ v_2 $ 계수를 생성하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 자기장 배경에 의해 수정된 쿼크 전파함수를 사용하여, 피카르도 다이어그램을 활용해 글루온 융합에 의한 열광자 생성의 진폭을 계산한다.
• 스윙거 적시 형식을 사용하여 일정 자기장 내에서의 쿼크 전파함수를 표현하며, 랑주르 수준과 필드 의존성 위상 인자를 포함한다.
• 전하 $ q_u = 2|e|/3 $, $ q_d = |e|/3 $인 두 가지 경량 쿼크 플레이버를 고려하며, 벡터 포텐셜에 대해 대칭 게이지(symmetric gauge)를 사용한다.
• 최종 광자 수확량은 행렬 원소의 제곱을 구하고, 초기 스핀과 색상에 대해 평균화한 후, 글루온에 대한 열분포를 고려해 양자역학적 위상공간에 통합한다.
• 결과는 $ T $, $ eB $, 그리고 결합 상수 $ g $에 의존하는 정규화된 횡방향 운동량 분포 $ dN/(2\pi N r_t dr_t) $ 형태로 표현되며, 글루온의 열질량 스케일로 인해 비정상적인 $ 1/T $ 의존성이 나타난다.
• 기존에 기초 광자 스펙트럼을 잘 기술하는 최근의 유체역학 모델에 이 결과를 과잉으로 추가하여 실험 데이터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 자기장에 의해 유도된 글루온 융합 과정이 중이온 충돌에서 저횡방향 운동량 영역에서 관측된 열광자 과잉을 설명할 수 있는가?
• RQ2 강한 자기장 조건에서 글루온 융합에 의한 광자 수확량의 크기와 $ p_T $ 의존성은 어떠한가?
• RQ3 이 메커니즘에서 광자 수확량은 온도, 자기장 강도, 결합 상수에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 이 메커니즘이 광자 방향 분포에서 관측된 큰 $ v_2 $ 계수를 어느 정도 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 자기장 내에서 글루온 융합에 의한 계산된 광자 수확량은 $ (eB)^2/T $ 비례하며, 글루온의 열질량이 분모에 포함되어 있어 비정상적인 $ 1/T $ 의존성이 나타난다.
• RHIC (0–20% 및 20–40% 중심성)와 LHC (20–40% 중심성) 데이터 모두에서 $ T = 300\,\text{MeV} $ (RHIC) 및 $ T = 350\,\text{MeV} $ (LHC) 조건을 사용할 경우, 실험적 과잉과 매우 밀접한 일치를 보인다.
• LHC 20–40% 중심성의 경우 모델이 약간 과잉으로 데이터를 초과하는 경향이 있는데, 이는 과잉을 정의하기 위해 사용된 기준 유체역학 모델의 과잉 예측 때문일 수 있다.
• 강한 상호작용 상수 $ g $ 에 대해 결과는 약한 민감도를 보이며, $ g=1 $ 이 두 에너지 영역에서 좋은 피팅을 제공한다.
• 반응의 시공간 영역에 따라 수확량이 변하지 않지만, 자기장 강도 $ eB $ 는 중심성에 따라 변하므로 영향을 받는다.
• 이 연구는 중이온 충돌의 초기 고온·고밀도 단계에서 관측된 광자 과잉의 일부가 자기장에 의해 유도된 과정에서 기인할 수 있다는 가설을 지지한다.