[논문 리뷰] Scaling properties of the mean multiplicity and pseudorapidity density in $e^{-}+e^{+}$, $e^{\pm}$+p, p($\bar{\mathrm{p}}$)+p, p+A and A+A(B) collisions

R. Lacey, Peifeng Liu외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 22.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 $e^+e^-$, $ep$, $pp$, $p+A$, 및 $A+A$ 충돌에서 이온의 다중성 및 위상속도 밀도에 대한 일반적인 스케일링 프레임워크를 제안한다. $\< N_{\text{ch}} angle$와 $dN_{\text{ch}}/d\eta$가 모두 로그 에너지 ($\log\sqrt{s}$)와 참가자 쌍 ($N_{\text{pp}}$) 의존성으로 분해됨을 보여주며, 핵심 결과는 A+A(B) 시스템에서 $dN_{\text{ch}}/d\eta|_{|\eta|=0.5}$ 를 예측하는 방정식이다: $N_{\text{qpp}}[0.530 + 0.258\log(\sqrt{s})]^3$. 이는 $ olimits\sqrt{s}$ 에서 네 개의 주기적 범위에 걸쳐 검증되었으며, 공통의 엔트로피 기반 입자 생성 메커니즘이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The pseudorapidity density (dN/deta) for p+p, p+A and A+A(B) collisions, and the mean multiplicity for ee, ep, and p+p collisions, are studied for an inclusive range of beam energies (Root_s). Characteristic scaling patterns are observed for both dN/deta and , consistent with a thermal particle production mechanism for the bulk of the soft particles produced in all of these systems. They also validate an essential role for quark participants in these collisions. The scaled values for dN/deta and are observed to factorize into contributions which depend on log(Root_s) and the number of nucleon or quark participant pairs (Npp). Quantification of these contributions give expressions which serve to systematize dN/deta and measurements spanning nearly four orders of magnitude in Root_s, and to predict their values as a function of Root_s and Npp.

연구 동기 및 목표

• 다양한 충돌 시스템에서의 충전 입자 다중성 ($\langle N_{\text{ch}}\rangle$) 과 위상속도 밀도 ($dN_{\text{ch}}/d\eta$) 에서의 일반적인 스케일링 패턴을 규명하는 것.
• $e^+e^-$, $ep$, $pp$, $p+A$, 및 $A+A$ 충돌에서 공통의 기초 입자 생성 메커니즘이 존재하는지 검증하는 것 — 잠재적으로 엔트로피 기반 메커니즘으로서.
• 빔 에너지 ($\sqrt{s}$) 와 참가자 쌍 ($N_{\text{pp}}$) 이 다중성 스케일링을 결정하는 데 기여하는 방식을 정량화하는 것.
• 일관된 매개변수화를 사용하여 $\sqrt{s}$ 에서 네 개의 주기적 범위에 걸쳐 $\langle N_{\text{ch}}\rangle$ 와 $dN_{\text{ch}}/d\eta$ 를 체계화하고 예측하는 것.

제안 방법

• ~10 GeV 에서 5.02 TeV 까지의 $\sqrt{s}$ 에 걸쳐 $e^+e^-$, $ep$, $pp$ 충돌에서의 $\langle N_{\text{ch}}\rangle$ 와 $pp$, $p+A$, $A+A$ 충돌에서의 $dN_{\text{ch}}/d\eta$ 를 분석한다.
• 엔트로피 기반 스케일링 가설 $S \sim (TR)^3 \sim \text{const.}$ 를 적용하며, $R \propto N_{\text{pp}}^{1/3}$ 이므로 다중성과 열적 부피 및 온도 사이의 관계를 설정한다.
• $dN_{\text{ch}}/d\eta$ 스케일링을 기술하기 위해 A+A(B) 및 $pp$ 시스템에서 핵심 변수로 $N_{\text{qpp}}$ (쿼크 참가자 쌍) 를 사용한다.
• 데이터에 대한 피팅을 통해 기능적 의존성을 추출한다: $dN_{\text{ch}}/d\eta|_{|\eta|=0.5} = N_{\text{qpp}}[b_{\text{AA}} + m_{\text{AA}}\log(\sqrt{s})]^3$.
• 다양한 시스템 간에 $[(dN_{\text{ch}}/d\eta)/N_{\text{pp}}]^{1/3}$ 과 $[(\langle N_{\text{ch}}\rangle/N_{\text{pp}})^{1/3}$ 을 비교하여 일반적인 경향을 규명한다.
• 유사한 $\sqrt{s}$ 와 $N_{\text{pp}}$ 를 가진 $pp$ 와 A+A(B) 충돌에서의 $dN_{\text{ch}}/d\eta$ 를 비교함으로써 스케일링을 검증하며, 놀라울 정도로 유사한 결과를 보인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $e^+e^-$, $ep$, $pp$, $p+A$, 및 $A+A$ 충돌에서 $\langle N_{\text{ch}}\rangle$ 와 $dN_{\text{ch}}/d\eta$ 가 $\sqrt{s}$ 에 걸쳐 일반적인 스케일링 패턴을 보이는가?
• RQ2 관측된 스케일링이 공통의 엔트로피 기반 입자 생성 메커니즘과 일치하는가?
• RQ3 $\log(\sqrt{s})$ 와 $N_{\text{pp}}$ 가 다중성 스케일링을 결정하는 데 기여하는 방식은 어떻게 분해되는가?
• RQ4 스케일링 패턴을 $dN_{\text{ch}}/d\eta$ 와 $\langle N_{\text{ch}}\rangle$ 를 예측할 수 있는 정량적 모델로 정량화할 수 있는가?
• RQ5 A+A(B) 및 $pp$ 충돌에서 $dN_{\text{ch}}/d\eta$ 스케일링에 있어서 쿼크 참가자 ($N_{\text{qpp}}$) 의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• A+A(B) 충돌에서 위상속도 밀도 $dN_{\text{ch}}/d\eta|_{|\eta|=0.5}$ 는 $N_{\text{qpp}}[0.530 + 0.258\log(\sqrt{s})]^3$ 으로 스케일링되며, $b_{\text{AA}} = 0.530 \pm 0.008$ 와 $m_{\text{AA}} = 0.258 \pm 0.004$ 를 포함한다.
• $e^+e^-$, $ep$, $pp$, $p+A$, 및 $A+A$ 시스템에서 $dN_{\text{ch}}/d\eta$ 와 $\langle N_{\text{ch}}\rangle$ 의 스케일링은 $\log(\sqrt{s})$ 와 $N_{\text{pp}}$ 의존성으로 분해되며, 이는 일반적인 메커니즘을 시사한다.
• NSD $pp$ 와 A+A(B) 충돌에서 $[(dN_{\text{ch}}/d\eta)/N_{\text{qpp}}]^{1/3}$ 의 $\sqrt{s}$ 의존성이 거의 동일하여 공통의 입자 생성 메커니즘을 지지한다.
• 모델은 Pb+Pb 충돌에서 $\sqrt{s} = 5.02$ TeV 일 때 $2.76$ TeV 대비 약 20% 증가한 $dN_{\text{ch}}/d\eta|_{|\eta|=0.5}$ 를 예측한다. 이는 $\sqrt{s}$ 와 $N_{\text{qpp}}$ 의 병합 효과 때문이다.
• $[(dN_{\text{ch}}/d\eta)/N_{\text{qpp}}]^{1/3}$ 이 $N_{\text{qpp}}^{1/3}$ 에 대해 평탄한 의존성을 보임으로써, $N_{\text{qp}}/N_{\text{npp}}$ 가 초기 시스템 크기와 선형으로 스케일링되며, 작은 시스템에서 다중성 변동성이 억제됨을 시사한다.
• 스케일링은 $pp$ 와 $ep$ 충돌에서의 주요 입자 효과를 검증하며, $A+A$ 시스템에서 쿼크 참가자의 핵심적 역할을 확인한다.