[논문 리뷰] Correlation Measurements Between Flow Harmonics in Au+Au Collisions at RHIC

STAR Collaboration, J. Adam외 348명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 11.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 √sNN = 39 및 200 GeV에서의 Au+Au 충돌에서电하를 포함한 네 입자 대칭 누적량의 최초 측정을 제시하며, v₂와 v₃ 변동성 간의 반상관관계와 v₂와 v₄ 간의 양상관관계를 규명한다. 데이터는 이상 유체역학 모델이 v₂–v₄ 상관관계를 과소평가함을 보여주며, 이는 비선형 유체역학 반응과 점성 보정이 흐름 조화 변동성을 정확히 기술하기 위해 필요함을 시사한다.

ABSTRACT

Flow harmonics ($v_n$) in the Fourier expansion of the azimuthal distribution of particles are widely used to quantify the anisotropy in particle emission in high-energy heavy-ion collisions. The symmetric cumulants, $SC(m,n)$, are used to measure the correlations between different orders of flow harmonics. These correlations are used to constrain the initial conditions and the transport properties of the medium in theoretical models. In this Letter, we present the first measurements of the four-particle symmetric cumulants in Au+Au collisions at $\sqrt{s_{NN}}$ = 39 and 200 GeV from data collected by the STAR experiment at RHIC. We observe that $v_{2}$ and $v_{3}$ are anti-correlated in all centrality intervals with similar correlation strengths from 39 GeV Au+Au to 2.76 TeV Pb+Pb (measured by the ALICE experiment). The $v_{2}$-$v_{4}$ correlation seems to be stronger at 39 GeV than at higher collision energies. The initial-stage anti-correlations between second and third order eccentricities are sufficient to describe the measured correlations between $v_{2}$ and $v_{3}$. The best description of $v_{2}$-$v_{4}$ correlations at $\sqrt{s_{NN}}$ = 200 GeV is obtained with inclusion of the system's nonlinear response to initial eccentricities accompanied by the viscous effect with $η/s$ $>$ 0.08. Theoretical calculations using different initial conditions, equations of state and viscous coefficients need to be further explored to extract $η/s$ of the medium created at RHIC.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 39 및 200 GeV에서의 Au+Au 충돌에서 흐름 조화수 v₂, v₃, v₄ 간의 이벤트별 상관관계를 측정하기 위해.
• 초기 상태의 변동성과 최종 상태의 흐름 조화수 간의 비례성(예: εn–vn 비례성)을 검증하기 위해 초기 상태 변동성과 최종 상태 흐름 조화수를 비교하기 위해.
• 유체역학 및 운동론적 모델의 예측과 대비하여 대칭 누적량 데이터를 이론 모델의 쿼ark-글루온 플라즈마에 대한 제약 조건으로 활용하기 위해.
• 특히 v₂–v₄ 상관관계에 대한 중심도 및 에너지 의존성을 조사하기 위해.
• v₂–v₄ 상관관계를 기술하는 데 있어 모델의 결함을 규명하고 점성 보정 및 개선된 초기 조건을 통한 향상 방안을 제안하기 위해.

제안 방법

• 중간 랩시디티 (|η| < 1.0) 영역에서 전하 포함 이벤트별 흐름 변동성에 기반해 네 입자 대칭 누적량 NSC(2,3) 및 NSC(2,4)를 측정하기 위해.
• 비균일한 이벤트 선택 및 검출기 효과를 보정하기 위해 중심도-박스 가중(centrality-bin-weighted, CBW) 보정을 적용하기 위해.
• 다양한 점성율 대비 점성율(η/s = 0 및 0.08)을 가진 이상 및 점성 유체역학 모델(예: NexSPheRIO, MCKLN)의 예측과 데이터를 비교하기 위해.
• 비교를 위해 η/s = 0.18를 가진 AMPT 운동론적 모델을 사용하기 위해.
• 초기 상태 변동성(ε₂, ε₃)을 분석하여 초기 이완도와 최종 흐름 조화수 간의 선형성 가설을 검증하기 위해.
• 39 GeV 및 200 GeV의 중심도 간격과 비트 에너지에서의 모델 성능을 평가하기 위해 데이터와의 정량적 일치도를 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 v₂와 v₃ 변동성 간의 반상관관계는 ε₂와 ε₃ 간의 초기 상태 반상관관계에서 기인하는가?
• RQ2 왜 v₂–v₄ 상관관계는 양이며, 선형 반응으로 설명 가능한가, 아니면 비선형 유체역학 반응이 필요한가?
• RQ3 점성 유체역학 모델과 운동론적 모델은 다양한 중심도에서 v₂–v₄ 대칭 누적량을 어떻게 기술하는가?
• RQ4 v₂–v₄ 상관관계는 에너지 의존성이 있는가? 만약 그렇다면, 이는 초기 상태 또는 운동론적 성질에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 왜 모든 테스트된 모델이 NSC(2,4) 데이터를 과소평가하는가? 어떤 모델 성분(예: 초기 상태, 상태방정식, 운동론)을 개선해야 하는가?

주요 결과

• v₂와 v₃ 변동성 간의 반상관관계가 관측되었으며, 이는 ε₂와 ε₃ 간의 초기 상태 반상관관계와 일치한다.
• v₂–v₄ 상관관계는 양이며, 이상 유체역학 모델이 크게 과소평가함을 보여, 비선형 반응이 필요함을 시사한다.
• η/s = 0.08인 점성 유체역학 모델은 이상 유체역학 모델보다 NSC(2,4) 데이터와 더 잘 일치하지만 여전히 상관관계를 과소평가한다.
• η/s = 0.18인 AMPT 모델은 점성 유체역학 모델보다 NSC(2,4) 데이터와 더 가까운 일치를 보인다.
• 200 GeV와 39 GeV 간의 v₂–v₄ 상관관계에 차이가 있음을 확인하여, 에너지 의존적인 초기 조건 또는 운동론적 성질을 시사한다.
• 모든 모델이 모든 중심도에서 v₂–v₄ 상관관계를 완전히 기술하지 못함을 보여, 향후 초기 조건, 상태방정식, 운동론 계수의 개선이 필요함을 강조한다.