[논문 리뷰] Ultracentral Collisions of Small and Deformed Systems at RHIC: ${U} {U}$, ${d} {Au}$, ${}^{9}{Be} {Au}$, ${}^{9}{Be} {}^{9}{Be}$, ${}^{3}{He} {}^{3}{He}$, and ${}^{3}{He} {Au}$ Collisions

Jacquelyn Noronha-Hostler, Noah Paladino외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 30.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 84인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 수소핵과 탄소핵 이외의 작은 비대칭 핵인 $^{238}$U, $^9$Be, $^3$He의 초초순 충돌을 수소역학 모델과 색유리응축체(CGC) 모델을 사용하여 분석하여, 초기 기하구조에 의한 집단적 유동과 글루온 상관관계에 의한 유동을 구별한다. 연구 결과, 핵의 비대칭성이 타원형 및 삼각형 흐름 조화수의 다중도 의존성에 뚜렷한 영향을 미치며, 비대칭 시스템에서 CGC 시나리오에서는 $v_2\{2\\$의 다중도 증가에 따라 증가하는 경향을 보이며, 이는 초초순 충돌에서 수소역학 모델과 CGC 모델을 구별하는 핵심 기준이 된다.

ABSTRACT

In this paper, we study a range of collision systems involving deformed ions and compare the elliptic and triangular flow harmonics produced in a hydrodynamics scenario versus a color glass condensate (CGC) scenario. For the hydrodynamics scenario, we generate initial conditions using TRENTO and work within a linear response approximation to obtain the final flow harmonics. For the CGC scenario, we use the explicit calculation of two-gluon correlations taken in the high-$p_T$ ``(semi)dilute-(semi)dilute'' regime to express the flow harmonics in terms of the density profile of the collision. We consider ultracentral collisions of deformed ions as a testbed for these comparisons because the difference between tip-on-tip and side-on-side collisions modifies the multiplicity dependence in both scenarios, even at zero impact parameter. We find significant qualitative differences in the multiplicity dependence obtained in the initial conditions+hydrodynamics scenario and the CGC scenario, allowing these collisions of deformed ions to be used as a powerful discriminator between models. We also find that sub-nucleonic fluctuations have a systematic effect on the elliptic and triangular flow harmonics which are most discriminating in $0-1\%$ ultracentral symmetric collisions of small deformed ions and in $0-10\%$ $\mathrm{d} {}^{197}\mathrm{Au}$ collisions. The collision systems we consider are ${}^{238}\mathrm{U} {}^{238}\mathrm{U}$, $\mathrm{d} {}^{197}\mathrm{Au}$, ${}^{9}\mathrm{Be} {}^{197}\mathrm{Au}$, ${}^{9}\mathrm{Be} {}^{9}\mathrm{Be}$, ${}^{3}\mathrm{He} {}^{3}\mathrm{He}$, and ${}^{3}\mathrm{He} {}^{197}\mathrm{Au}$.

연구 동기 및 목표

• 초초순 비대칭 이온 충돌이 소형 시스템에서 집단적 유동의 수소역학적 기술과 색유리응축체(CGC) 기술을 구별하는 민감한 탐사수단이 될 수 있는지 테스트하는 것.
• 핵의 비대칭성과 아원자구조의 불규칙성 변화가 수소역학 및 CGC 프레임워크 내에서 흐름 조화수 $v_2\{2\}$와 $v_3\{2\}$의 다중도 의존성에 미치는 영향를 분석하는 것.
• 두 모델의 예측이 가장 크게 갈리는 특정 충돌 시스템과 운동역학적 영역을 규명하여 실험적 구별 가능성을 확보하는 것.
• 초기 조건 기하학, 특히 끝대끝 충돌과 옆대옆 충돌의 차이가 초초순 사건에서 흐름 조화수와 다중도 스케일링에 미치는 영향를 분석하는 것.
• CGC에서 예상되는 흐름 조화수의 $T_A T_B$ 스케일링이 큰 밀도 기울기와 핵의 비대칭성으로 인해 현실적인 충돌 기하학에서 위반되는지 여부를 판단하는 것.

제안 방법

• 수소역학 시나리오에서 初기 조건을 TRENTO 모델을 사용해 시뮬레이션하고, 최종 상태의 흐름 조화수를 계산하기 위해 선형 반응 근사법을 적용한다.
• CGC 프레임워크를 적용하여 고-$p_T$ "(반)희석-(반)희석" 영역에서 이중 글루온 상관관계를 계산하고, 흐름 조화수를 핵 밀도 프로파일에 기반하여 표현한다.
• 다양한 충돌 시스템에서 $T_A T_B$ 및 $\sqrt{T_A T_B}$ 스케일링 가정 하에 $v_2\{2\}$와 $v_3\{2\}$의 다중도 스케일링을 비교한다.
• 타원형 비대칭(예: $^{238}$U)을 가진 부드러운 옵티컬 글라우버 프로파일을 사용하여 핵 기하학을 모델링하고, 비대칭 효과를 정량화하기 위해 비율 $[v_2\{2\}]_{\text{tip}}/[v_2\{2\}]_{\text{side}}$를 계산한다.
• 실제 아원자구조를 반영하기 위해 이벤트별 다중도 불규칙성과 뭉툭한 핵 프로파일을 도입하여 스케일링의 강인성을 평가한다.
• 대칭 충돌 외의 비대칭 시스템인 $^9$Be-Au 및 $^3$He-Au를 분석하여 중간 척도 비대칭 효과를 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CGC 프레임워크에서 $^{238}$U-$^{238}$U 충돌에서 핵의 비대칭성이 $v_2\{2\}$와 $v_3\{2\}$의 다중도 의존성에 미치는 영향은 수소역학과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 핵 밀도 프로파일의 아원자구조 불규칙성이 CGC 모델에서 $T_A T_B$ 스케일링을 얼마나 평탄화하거나 왜곡시키는가?
• RQ3 예를 들어 $^9$Be-$^9$Be 또는 $^3$He-$^3$He 충돌과 같은 시스템에서 수소역학과 CGC의 예측이 흐름 조화수의 다중도 스케일링에서 가장 크게 다를 수 있는 영역는 어디인가?
• RQ4 Ref. Kovchegov와 Wertepny (2014)에서 예측한 바와 같이 비대칭성으로 인해 $v_2\{2\}$의 다중도 스케일링이 일정에서 증가로 전이되는가? 이 효과는 $^{238}$U-$^{238}$U 및 $^9$Be-Au 시스템에서 관측 가능한가?
• RQ5 초초순 충돌에서 타원형 유동 크기와 다중도 사이의 반비례 관계는 CGC 모델에서 재현될 수 있는가? 이는 수소역학 예측와 어떻게 다를까?

주요 결과

• CGC 시나리오에서 $^{238}$U-$^{238}$U 충돌의 $v_2\{2\}$는 핵의 비대칭성을 포함할 경우 다중도 증가에 따라 양의 기울기를 보이며, 부드럽고 비대칭이 없는 시스템에서 성립하는 $T_A T_B$ 스케일링을 위반한다.
• 부드러운 옵티컬 글라우버 프로파일에서 비대칭으로 인해 비율 $[v_2\{2\}]_{\text{tip}}/[v_2\{2\}]_{\text{side}} \approx 1.26$로 계산되어 CGC 프레임워크 내 기하학적 의존성이 명확하게 나타난다.
• $^9$Be-Au 충돌에서 $T_A T_B$ 기반의 $v_2\{2\}$ 스케일링은 약간의 음의 기울기를 보이며, 비대칭이고 초초순인 시스템에서 비대칭 효과가 완전히 나타나지 않는 것으로 나타난다.
• 아원자구조 불규칙성이 CGC 모델에서 $v_2\{2\}$와 $v_3\{2\}$ 스케일링을 특히 $0-1\%$ 초초순 대칭 시스템의 작은 비대칭 이온에서 크게 평탄화한다.
• $T_A T_B$ 스케일링은 부드러운 프로파일을 가진 $\mathrm{p}^{208}\mathrm{Pb}$ 충돌에서는 안정하지만, $^{208}\mathrm{Pb}$-$^{208}\mathrm{Pb}$와 같은 큰 밀도 기울기를 가진 시스템에서는 강하게 위반된다.
• 수소역학과 CGC 모델 간의 최대 구별 능력은 $0-1\%$ 초초순 $^3$He-$^3$He 및 $0-10\%$ d-$^{197}$Au 충돌에서 관찰되며, 이는 아원자구조 불규칙성이 흐름 조화수에 미치는 체계적 영향 때문이다.