[论文解读] Anisotropic emission of direct photons from Au+Au collisions at $\sqrt {s_{ m NN}}=200~{ m GeV}$ with EPOS3 and IP-Glasma

Fuming Liu, Sheng-Xu Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2015

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一句话总结

该论文通过展示EPOS3（一种流体动力学模型）在不引入额外参数的情况下，同时再现了所有碰撞中心度下Au+Au碰撞中√sNN = 200 GeV时直接光子的横向动量谱、v₂和v₃，从而为直接光子椭圆流之谜提出了一个新解法。关键机制在于EPOS3中强烈的径向流，补偿了较低的动量空间非对称性，使得尽管光子早期发射，仍能产生大的光子各向异性。

ABSTRACT

The observed large elliptic flow ($v_2$) of direct photons in relativistic heavy ion collisions challenges us to explain. In this paper we consider only two sources of direct photons, prompt photons and thermal photons. Prompt photons are calculated with QCD to next leading order, which fits well the spectra at high transverse momentum ($p_{ m t}$) region. Thermal photons are calculated with AMY rate in a 3+1D viscous hydrodynamical evolution of the collision systems. Two types of initial conditions, EPOS3 and IP-Glasma, are employed. Our results with IP-Glasma initial condition agree with results in published work in most cases, and the difference tells the regions effected by the absence of viscous correction in photon emission rate. Because both models are well constrained with hadron data, the hydrodynamic evolution of collision systems in the two models have many common. However, the transverse velocity of the collective motion are quite different. This makes a big difference in the anisotropic emission of direct photon emission. The observed large elliptic flow of direct photons is reproduced with EPOS3 hydrodynamic evolution.

研究动机与目标

• 解决Au+Au碰撞中√sNN = 200 GeV时直接光子椭圆流（v₂）长期存在的谜题。
• 检验EPOS3（一种流体动力学模型）是否能在不引入新参数的情况下，同时描述强子和直接光子的可观测量。
• 研究径向流与动量非对称性在尽管光子早期发射仍产生大光子各向异性的机制中的作用。
• 将EPOS3的体系演化与Glauber初始条件下的流体动力学模型（Hirano）进行比较，以隔离径向流增强的根源。
• 探讨EPOS3中离散物质分布（有效体积减小且径向流强烈）是否可作为延迟QGP形成或初始流非零的可行替代方案。

提出的方法

• 使用EPOS3模拟了所有中心度区间（0–20%、20–40%、40–60%）下√sNN = 200 GeV的Au+Au碰撞。
• 通过QGP中的AMY率和强子相中的TRG率，结合瞬时光子（NLO）与热光子，计算直接光子谱。
• 使用公式vₙ = vₙ^th × N^th / (N^th + N^pr) 计算光子流，假设瞬时光子不携带任何流。
• 通过⟨sin nϕ⟩和⟨cos nϕ⟩对光子发射角进行方位角平均，提取事件平面角Ψₙ。
• 将EPOS3与Hirano的(3+1)维流体动力学模型进行比较，以隔离径向流与空间结构的影响。
• 执行径向流降低测试（取EPOS3值的50%），在保持T和ε₂不变的情况下量化其对光子v₂和v₃的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 EPOS3是否能在不引入额外参数的情况下，同时再现所有中心度下直接光子的横向动量谱、v₂和v₃？
• RQ2 尽管光子早期发射，径向流在产生热光子大椭圆流和三角流中起到何种作用？
• RQ3 径向流与动量非对称性εₚ,₂之间的相互作用如何解释EPOS3中观测到的光子各向异性？
• RQ4 为何在EPOS3中降低径向流会强烈抑制光子v₂和v₃，而对强子的影响较小？
• RQ5 EPOS3中离散物质分布（有效体积减小且径向流强烈）是否可作为解决光子v₂谜题的可行替代方案，替代延迟QGP形成？

主要发现

• EPOS3在所有中心度下成功再现了Au+Au碰撞中√sNN = 200 GeV时直接光子的横向动量谱、v₂和v₃，与PHENIX实验数据在不确定度范围内一致。
• EPOS3中直接光子的椭圆流v₂在所有中心度下与实验数据高度一致，v₃也处于实验误差范围内。
• 将EPOS3的径向流降低至50%时，热光子的v₂和v₃被抑制超过五倍，尽管温度和空间非对称性保持不变。
• EPOS3中的径向流约为Hirano流体动力学模型的两倍，补偿了其较低的动量非对称性，从而产生相似的强子v₂。
• 由于离散物质分布与冷区空洞的存在，EPOS3的有效体积比Hirano小约30%，但空间非对称性仍保持相近。
• 动量非对称性的方向Φ，而不仅仅是其大小，显著影响v₂与v₃的差异，凸显了角相关性在流生成中的重要性。