[論文レビュー] On the Early Stage of Nucleus--Nucleus Collisions

M. Gaździcki, M. I. Gorenstein|ArXiv.org|Mar 26, 1998

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 80

ひとこと要約

本稿では、SPS時代のPb+Pb衝突においてクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）が形成されることを示すために、パラメータ化された閉じ込め相と、脱閉じ込め相のためのバッグ模型状態方程式を用いた統計的モデルを構築する。このモデルはパイオンおよび奇素粒子の生成データを定量的に再現し、それらのスケーリング行動を説明し、エネルギー依存の多重度およびイベントごとの揺らぎを介して脱閉じ込め転移を同定する。

ABSTRACT

A statistical model of the early stage of central nucleus--nucleus (A+A) collisions is developed. We suggest a description of the confined state with several free parameters fitted to a compilation of A+A data at the AGS. For the deconfined state a simple Bag model equation of state is assumed. The model leads to the conclusion that a Quark Gluon Plasma is created in central nucleus--nucleus collisions at the SPS. This result is in quantitative agreement with existing SPS data on pion and strangeness production and gives a natural explanation for their scaling behaviour. The localization and the properties of the transition region are discussed. It is shown that the deconfinement transition can be detected by observation of the characteristic energy dependence of pion and strangeness multiplicities, and by an increase of the event--by--event fluctuations. An attempt to understand the data on J/psi production in Pb+Pb collisions at the SPS within the same approach is presented.

研究の動機と目的

• 核子-核子衝突の初期段階を説明する統計的モデルの構築を目的とし、粒子生成に関する実験データを説明すること。
• 特にS+SおよびPb+Pb系において、SPS時代のA+A衝突でクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）が形成されるかどうかを特定すること。
• 熱力学的基準およびエントロピー最大化を用いて、閉じ込め相と脱閉じ込め相の間の転移領域を理解すること。
• charm生成および物質効果を分析することで、実験的$J/\psi$抑制データと統計的モデルを整合させる。
• エネルギー依存の多重度および揺らぎといった観測可能なシグナルを通じて、脱閉じ込め相転移を検出可能かどうかを同定すること。

提案手法

• 閉じ込め相はAGSデータにフィットする自由パラメータでパラメータ化された統計的モデルを用い、脱閉じ込め相は単純なバッグ模型状態方程式で記述する。
• 一次相転移のためのギブズ基準を適用し、臨界温度$T_c$で圧力が等しく、エントロピー密度およびエネルギー密度に不連続性が生じることを要請する。
• エネルギー密度$\varepsilon(T)$およびエントロピー密度$s(T)$といった熱力学的量を、圧力$p(T)$から$\varepsilon = T \frac{dp}{dT} - p$および$s = \frac{dp}{dT}$の式を用いて導出する。
• 混合相におけるエントロピー最大化条件を課し、熱力学的安定性を保証する。これにより、凸な圧力関数に対してギブズ基準と等価であることが証明される。
• 統計力学から導かれる正の比熱$d\varepsilon/dT > 0$から、$d^2p/dT^2 > 0$を満たす圧力関数の凸性が保証され、これにより$p(T)$の凸性が成立する。
• $J/\psi$生成を、標準的なハードQCD生成と物質吸収のアプローチと比較することで分析し、一貫性を追求する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期段階の統計的モデルは、中央部のA+A衝突におけるSPSのパイオンおよび奇素粒子生成データを再現できるか？
• RQ2 非平衡ダイナミクスに依存せずに、粒子多重度のスケーリング行動をモデルが説明できるか？
• RQ3 パイオンおよび奇素粒子の多重度のエネルギー依存性およびイベントごとの揺らぎを介して、脱閉じ込め相転移が検出可能か？
• RQ4 Pb+Pb衝突における$J/\psi$生成を、軽い系では抑制が観測されないのに対しQGPが存在するという事実と整合的にモデルで記述できるか？
• RQ5 転移領域の熱力学的性質は何か？ そして、重イオン実験における観測可能なシグナルとどのように関連するか？

主な発見

• 閉じ込め相の自由パラメータをわずかに数個用いることで、中央部のA+A衝突におけるSPSのパイオンおよび奇素粒子生成データをモデルが成功裏に再現する。
• 粒子多重度のスケーリング行動は、非平衡モデルとは異なり、熱力学的アプローチから自然に導かれる。
• 臨界温度$T_c$で一次相転移が予測され、エネルギー密度およびエントロピー密度に不連続性が生じる。
• $T = T_c$における混合相がエントロピーを最大化することから、ギブズ基準と最大エントロピー原理が等価であることが確認される。
• パイオンおよび奇素粒子の多重度の特徴的なエネルギー依存性が、実験的に脱閉じ込め相転移を検出可能である。
• イベントごとの粒子多重度の揺らぎは、転移点で増加すると予測され、測定可能なシグナルを提供する。