[논문 리뷰] Two-particle transverse momentum correlations in pp and p-Pb collisions at LHC energies

ALICE Collaboration, Adamova, Dagmar외 1041명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 16.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LHC 에너지에서의 소형 충돌 시스템(pp 및 p–Pb)에서 점성 효과를 이중입자 횡방향 운동량 차별 상관관계, 특히 전하에 의존하지 않는 G2 상관관계를 통해 조사한다. 다중도에 따른 G2의 종방향 넓이가 증가하는지 분석한 결과, 이러한 시스템에서 점성 효과에 대한 유의미한 증거를 발견하지 못하였으며, 이는 집합적 행동이 장수명의 점성 매질에서 기인하는 것이 아니라, 아마도 미니젯 상관관계나 초기 상태 효과와 같은 다른 메커니즘에서 기인할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Two-particle transverse momentum differential correlators, recently measured in Pb--Pb collisions at energies available at the CERN Large Hadron Collider (LHC), provide an additional tool to gain insights into particle production mechanisms and infer transport properties, such as the ratio of shear viscosity to entropy density, of the medium created in Pb-Pb collisions. The longitudinal long-range correlations and the large azimuthal anisotropy measured at low transverse momenta in small collision systems, namely pp and p-Pb, at LHC energies resemble manifestations of collective behaviour. This suggests that locally equilibrated matter may be produced in these small collision systems, similar to what is observed in Pb-Pb collisions. In this work, the same two-particle transverse momentum differential correlators are exploited in pp and p-Pb collisions at $\sqrt{s} = 7$ TeV and $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV, respectively, to seek evidence for viscous effects. Specifically, the strength and shape of the correlators are studied as a function of the produced particle multiplicity to identify evidence for longitudinal broadening that might reveal the presence of viscous effects in these smaller systems. The measured correlators and their evolution from pp and p--Pb to Pb--Pb collisions are additionally compared to predictions from Monte Carlo event generators, and the potential presence of viscous effects is discussed.

연구 동기 및 목표

• LHC 에너지에서 소형 충돌 시스템(pp 및 p–Pb)에서 횡방향 운동량 상관관계를 통해 점성 효과가 나타나는지 조사하는 것.
• 다중도 증가에 따른 G2 상관관계의 종방향 폭 변화를 분석하여 점성 운동량 전달의 징후로 삼는 것.
• 소형 시스템에서 측정된 상관관계를 Pb–Pb 충돌 결과 및 몬테카를로 이벤트 생성기 예측과 비교하는 것.
• 고다중도 pp 및 p–Pb 충돌에서 관측된 집합적 유사 행동이 점성 유체역학적 매질에서 기인하는지, 아니면 다른 메커니즘에서 기인하는지 평가하는 것.
• G2 상관관계가 Pb–Pb 충돌에서처럼 소형 시스템에서 점성 점성률 대 엔트로피 밀도(η/s)를 신뢰할 만한 탐사 도구로 사용할 수 있는지 판단하는 것.

제안 방법

• 이 연구는 이중입자 횡방향 운동량 차별 상관관계인 G2를 사용하며, 특히 전하에 의존하지 않는(GCI2) 변형을 활용하여 운동량 상관관계를 조사한다.
• 점성 효과를 식별하기 위해 다중도 함수로서 GCI2의 종방향 넓이 증가 여부를 분석하며, 이는 시스템 크기와 수명이 증가할수록 증가할 것으로 예상된다.
• GCI2는 pp(√s = 7 TeV) 및 p–Pb(√sNN = 5.02 TeV) 충돌에서 다양한 다중도 범주에서 측정된다.
• 측정된 결과를 몬테카를로 이벤트 생성기(예: PYTHIA, DPMJET)의 예측과 비교하여 양성적 QCD 효과와 집합적 역학의 기여를 분리한다.
• 전하에 의존하는 및 전하에 의존하지 않는 G2 성분을 모두 포함하여, 전하에 의존하는 성분은 반경운동( radial flow)을, 전하에 의존하지 않는 성분은 점성 운동량 전달을 분리한다.
• GCI2의 형태와 강도의 진화를 pp, p–Pb, Pb–Pb 충돌 시스템 간 비교하여 상관관계 구조의 유사점과 차이점을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pp 및 p–Pb 충돌에서 GCI2 상관관계의 종방향 넓이가 다중도 증가에 따라 증가하는가? 이는 점성 운동량 전달을 시사하는가?
• RQ2 소형 시스템에서 관측된 G2 상관관계 형태가 점성 효과가 입증된 Pb–Pb 충돌의 결과와 일치하는가?
• RQ3 몬테카를로 이벤트 생성기들이 소형 시스템에서 측정된 G2 상관관계 형태를 어느 정도 재현하는가?
• RQ4 GCI2 상관관계가 Pb–Pb 충돌에서처럼 소형 시스템에서 점성 점성률 대 엔트로피 밀도(η/s)를 탐사하는 데 신뢰할 수 있는 도구로 사용될 수 있는가?
• RQ5 고다중도 pp 및 p–Pb 충돌에서 관측된 집합적 유사 행동이 점성 유체역학적 흐름에 의해 유도되는가, 아니면 미니젯 상관관계와 같은 비유체역학적 효과에 의해 유도되는가?

주요 결과

• pp 및 p–Pb 충돌에서 다중도에 따른 GCI2 상관관계의 종방향 넓이 증가가 유의미하게 관측되지 않아 강력한 점성 효과가 부족함을 시사한다.
• 소형 시스템에서 GCI2 상관관계의 형태와 진화는 중심부 Pb–Pb 충돌과 현저히 다름으로써, 점성 넓이 증가가 입증된 바 있다.
• PYTHIA 및 DPMJET와 같은 몬테카를로 생성기들은 고다중도 소형 시스템에서 측정된 GCI2 형태를 재현하지 못하여 모델에 누락된 물리적 기여가 있음을 시사한다.
• 전하에 의존하지 않는 GCI2 상관관계는 다중도 증가에 따라 폭이 증가하는 명확한 경향을 보이지 않으며, 이는 점성 유체역학 모델의 예측과 정면으로 배치된다.
• 결과는 소형 시스템에서의 집합적 유사 행동이 장수명의 점성 매질에서 기인하지 않을 수 있으며, 대신 초기 상태 상관관계나 미니젯 효과에서 기인할 수 있음을 시사한다.
• GCI2에서 점성 넓이 증가가 관측되지 않음으로써, 소형 시스템에서의 집합성 해석이 유한한 점성률을 가진 유체역학적 흐름에서 기인한다는 해석에 도전한다.