[論文レビュー] Mach cones in heavy ion collisions

Giorgio Torrieri, Barbara Betz+2 more|ArXiv.org|Jan 2, 2009

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、クォーク- gluonプラズマの流体力学的性質、特に低粘性を調べるためのプローブとして、重イオン衝突におけるマッハ・コーンの形成を検討している。pQCDに基づくおよびAdS/CFTに由来するエネルギー運動量源を用いた流体ダイナミクス的シミュレーションにより、観測可能なマッハ・コーン様構造は、ジェットの近傍における非平衡的「ネック」領域における強い横方向流れに強く依存しており、これはAdS/CFTでは顕著であるがpQCDでは存在しない。このことは、実験的コネンカル相関が熱的スメアリングやウェーク効果のため、マッハ・コーンを直接示唆するものではない可能性を示している。

ABSTRACT

We study the fate of the energy deposited by a jet in a heavy ion collision assuming that the medium created is opaque (jets quickly lose energy) and its viscosity is so low that the energy lost by the jet is quickly thermalized. The expectation is that under these conditions the energy deposited gives rise to a Mach cone. We argue that, in general, the behavior of the system is different from the naive expectation and it depends strongly on the assumptions made about the energy and momentum deposited by the jet into the medium. We compare our phenomenological hydrodynamic calculations performed in a static medium for a variety of energy-momentum sources (including a pQCD-based calculation) with the exact strong coupling limit obtained within the AdS/CFT correspondence. We also discuss the observability of hydrodynamical features triggered by jets in experimentally measured two-particle correlations at RHIC.

研究の動機と目的

• 重イオン衝突におけるジェットからのマッハ・コーン信号が、流体ダイナミクス的スメアリングおよび非平衡効果の影響を受けても、実験的に観測可能かどうかを特定すること。
• ジェット周辺の非熱的領域（「ネック」）における横方向流れが、凍結過程でのマッハ・コーン特徴の保存に果たす役割を評価すること。
• pQCDに基づくジェットエネルギー損失と、AdS/CFTの強い結合限界におけるエネルギー損失の予測を、観測可能な二粒子相関に関して比較すること。
• 二粒子データにおけるコネンカル相関が、クォーク-グルーオン・プラズマの状態方程式およびせん断粘性率の直接的プローブとしての妥当性を評価すること。
• マッハ・コーン様構造がコOPER-FRYE凍結過程を生き残り、実験的に検出可能となるための主要な物理的条件を同定すること。

提案手法

• ジェットエネルギー損失とそれに続く流体反応をモデル化するため、静的かつ均一な媒体における流体ダイナミクス的シミュレーションを実施する。
• 3+1次元の流体ダイナミクス的進化および流れ場を用いて、最終状態の粒子分布を計算するために、コペル-フライ凍結形式を適用する。
• エネルギー運動量源は、pQCDに基づくジェットエネルギー損失と、AdS/CFT対応の正確な強い結合限界の両方を用いてモデル化する。
• 方位角二粒子相関関数は、コペル-フライの公式を介して計算され、ジェットの方向はφ=0に合わせる。
• 横方向流れおよびマッハ・コーン構造は、源に近い「ネック」領域で分析され、凍結時の熱的スメアリングに対するその生存性に注目する。
• pQCDとAdS/CFTの結果を比較することで、非線形的かつ非平衡的ダイナミクスが観測信号の形をどのように形作るかを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体媒体における凍結時の熱的スメアリングを経ても、マッハ・コーン信号がどの条件下で生存するか。
• RQ2 pQCDベースのモデルが、同様のエネルギー損失を示しても、なぜ観測可能なマッハ・コーン様構造を生成しないのか。
• RQ3 非平衡的「ネック」領域における強い横方向流れが、マッハ・コーン特徴の観測可能性にどのように影響するか。
• RQ4 RHICでの実験的二粒子相関が、真のマッハ・コーンダイナミクスを反映しているのか、それともウェークや流れの効果に起因するのか。
• RQ5 方位角相関における二重ピーク構造がマッハ・コーン形成に起因するのか、それとも非線形流体ダイナミクスの副産物であるのか。

主な発見

• pQCDベースのエネルギー損失モデルでは、二粒子相関においてφ=πにのみ単一ピークが生成され、マッハ・コーンに期待される二重ピーク構造は欠如している。
• これに対して、AdS/CFTモデルでは、非線形効果のためマッハの法則を厳密に満たさないものの、方位角相関に明確な二重ピーク構造が現れる。
• pQCDにおける観測可能なマッハ・コーン特徴の欠如は、ネック領域における横方向流れが不十分であり、凍結時の熱的スメアリングに対して信号を保持できないことによる。
• AdS/CFTの結果では、ネック領域に強い横方向流れが存在し、これがコペル-フライ凍結プロセスを通じてマッハ・コーン特徴の生存を促進している。
• 本研究は、観測可能なマッハ・コーン様信号の生成には、源の近傍における強い非平衡的横方向流れが必要であり、これはpQCDでは満たされないが、強い結合限界では満たされていると結論づける。
• 実験的コネンカル相関がマッハ・コーンの直接的証拠であるとは限らず、それは拡散ウェークや凝集ダイナミクスに起因する可能性がある。したがって、より洗練された理論的モデリングの必要性が強調される。