[論文レビュー] Equation of state and speed of sound of (2+1)-flavor QCD in strangeness-neutral matter at non-vanishing net baryon-number density

D. Bollweg, D. Clarke+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、(2+1)-フレーバーQCDにおけるストレンジネス中性、アイソスピン対称な物質の非ゼロなバリオン数密度における状態方程式と音速を、化学ポテンシャルにおける8次までのテイラー展開を用いて計算している。連続極限補正された2次および4次係数と、高統計的 $N_\tau=8$ データからの6次および8次係数を組み合わせ、パデ再結合を適用することで、$T \sim 200$ MeV まで高精度の圧力、エネルギー密度、エントロピー密度、および音速の結果が得られた。ビームエネルギースキャン範囲では、4次までのテイラー級数でもすでにEoSをよく記述していることが示された。

ABSTRACT

We update results on the QCD equation of state in (2+1)-flavor QCD with non-zero conserved charge chemical potentials obtained from an eighth-order Taylor series. We present results for basic bulk thermodynamic observables of strangeness-neutral strong-interaction matter, i.e. pressure, number densities, energy and entropy density, and resum Taylor series results using Padé approximants. Furthermore, we calculate the speed of sound as well as the adiabatic compression factor of strangeness-neutral matter on lines of constant entropy per net baryon number. We show that the equation of state ($P(n_B), ε(n_B)$) is already well described by the $4^{ m th}$-order Taylor series in almost the entire range of temperatures accessible with the beam energy scan in collider mode at the Relativistic Heavy Ion Collider.

研究の動機と目的

• ストレンジネス中性、アイソスピン対称な物質における非ゼロのネットバリオン数密度の下での(2+1)-フレーバーQCDの状態方程式（EoS）を計算すること。
• 高統計的 lattice QCD データを用いて、QCD圧力の従来のテイラー級数計算を化学ポテンシャルにおいて8次まで拡張すること。
• 一定のバリオン数あたりのエントロピーに沿うストレンジネス中性物質における音速および断熱的圧縮率を計算すること。
• パデ再結合と摂動的・高温極限との比較により、テイラー級数展開の収束性と精度を評価すること。
• 重イオン衝突の流体力学的モデルおよび宇宙論的シミュレーションへの応用を想定し、信頼性の高い高精度EoSを提供すること。

提案手法

• 化学ポテンシャル $\mu_B$, $\mu_Q$, $\mu_S$ におけるQCD圧力の8次テイラー展開を用い、lattice QCD シミュレーションから得られた係数を用いる。
• 連続極限補正された2次および4次係数と、高統計的 $N_\tau = 8$ データからのスプライン補間による6次および8次係数を用いる。
• 熱力学的観測量のテイラー級数の収束性と信頼性を向上させるために、パデ再結合を適用する。
• 圧力の2階微分を含む熱力学的関係式を用いて、エントロピー、エネルギー、圧力から音速 $c_s^2$ を導出する。
• エントロピーおよび圧力の化学ポテンシャルに関する微分を用いて、断熱的圧縮係数を計算する。
• 重イオン衝突の条件に一致するように、$\mu_Q = 0$ および $n_S = 0$ を設定してストレンジネス中性、アイソスピン対称な物質をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学ポテンシャルにおける4次までのテイラー展開は、非ゼロのバリオン数密度におけるストレンジネス中性物質のQCD状態方程式をどの程度よく記述できるか？
• RQ2 (2+1)-フレーバーQCDにおける6次および8次項の寄与は、状態方程式および音速にどのような影響を与えるか？
• RQ3 パデ再結合は、熱力学的観測量のテイラー級数展開の収束性と信頼性をどのように向上させるか？
• RQ4 一定のバリオン数あたりのエントロピーに沿うストレンジネス中性物質における音速の挙動はいかなるものか？
• RQ5 低・高温における摂動的QCDおよびハドロン共鳴子ガスモデルと比較して、本研究の結果はどのように一致するか？

主な発見

• ビームエネルギースキャン計画で得られる全温度範囲にわたり、化学ポテンシャルにおける4次までのテイラー級数が、QCD状態方程式 $P(n_B)$ を信頼できる精度で記述している。
• 8次係数とパデ再結合を用いることで、ストレンジネス中性物質における音速 $c_s^2$ が高精度で計算され、高温および低温極限での既知の値と良好に一致している。
• 6次および8次係数の取り入れにより、特に擬臨界温度 $T_c \sim 155$ MeV の近傍で、EoSの収束性と精度が顕著に向上した。
• 本研究では、断熱的圧縮係数が初めてこの文脈で計算されたが、圧力の高次モーメントの寄与が明確に示された。
• アイソスピン対称性からのずれ（$n_Q/n_B \approx 0.4$）が体積的熱力学に与える影響は小さく、本研究で $n_Q/n_B = 0.5$ を用いることは正当化される。
• チルアル・リミット（$\mu_B = 0$）における音速は理想気体では $c_s^2 = 1/3$ に減少し、計算された値は高温領域でこの極限に近づくことが確認され、手法の妥当性が裏付けられた。