[논문 리뷰] Study the early stage of heavy ion collisions with direct photons

Fuming Liu|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 29.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LHC와 RHIC에서의 Pb+Pb 및 Au+Au 충돌에서의 직접 광자 데이터를 사용하여 (3+1)차원 이상의 유체역학을 통해 초기 단계의 고에너지 충돌을 탐구한다. 연구 결과, 직접 광자는 약 1/3 fm/c에서 열적 평형과 약 1.5 fm/c에서 화학적 평형을 드러내는 시계로 기능하며, 이는 큰 이방형 흐름과 함께 높은 순서의 흐름 조화분석 $v_3$, $v_4$, $v_5$를 예측하고, 경쟁하는 광자 원천을 검증하는 데 기여한다.

ABSTRACT

We investigated the information carried by the data of direct photons, ie, the transverse momentum spectrum and the elliptic flow $v_{2}$ from Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}}$=2.76TeV measured at Large Hadron Collider (LHC) and from Au+Au collisions at $\sqrt{s_{NN}}$= 200 GeV measured at Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), in the frame work of (3+1)-dimensional ideal hydrodynamical models constrained with hadronic data. We found those direct photon data may serve as a useful clock at the early stage of heavy ion collisions. The time scales of reaching thermal and chemical equilibrium, extracted from those data, are about 1/3 and 1.5 fm/c, respectively. Thus the large elliptic flow of direct photons is explainable. High order harmonics, ie, $v_3$, $v_4$ and $v_5$, of direct photons from Pb+Pb collisions at 2.76TeV are also predicted, as a further test to compete with those who claim new sources of photons to account for the large elliptic flow of direct photons.

연구 동기 및 목표

• 직접 광자 관측량을 이용하여 고에너지 충돌의 초기 동역학을 탐구하기.
• 직접 광자 스펙트럼과 유동을 통해 쿼크-글루온 플라즈마에서의 열적 및 화학적 평형에 도달하는 시간 스케일을 규명하기.
• 직접 광자 생성과 유동을 기술하는 데 있어 이상적 유체역학의 타당성을 검증하기.
• 높은 차수의 광자 유동 조화분석($v_3$, $v_4$, $v_5$)을 예측하여 새로운 광자 원천을 제거하는 데 사용하는 것.

제안 방법

• 핵물리 데이터로 제약을 받는 (3+1)차원 이상의 유체역학 모델을 사용하여 고에너지 충돌을 시뮬레이션하기.
• Pb+Pb(2.76 TeV) 및 Au+Au(200 GeV) 충돌에서의 횡방향 운동량 스펙트럼과 이방형 유동($v_2$)을 직접 광자 데이터로 입력하기.
• 유체역학 모델을 실험적 직접 광자 데이터에 적합시켜 평형화 시간을 추출하기.
• 유체역학 프레임워크를 기반으로 하여 높은 차수의 유동 조화분석($v_3$, $v_4$, $v_5$)을 예측하기.
• 예측 결과를 기존 데이터 및 새로운 광자 원천에 대한 이론적 주장과 비교하여 모델의 일관성 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 직접 광자 데이터는 고에너지 충돌 초기 단계에서의 열적 평형화에 대해 어떤 시간 스케일을 드러내는가?
• RQ2 직접 광자 관측량으로부터 유추된 쿼크-글루온 플라즈마에서 화학적 평형은 언제 수립되는가?
• RQ3 직접 광자의 큰 이방형 유동($v_2$)은 이상적 유체역학 프레임워크 내에서 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ4 Pb+Pb 충돌에서 2.76 TeV에서의 직접 광자에 대해 높은 차수의 유동 조화분석($v_3$, $v_4$, $v_5$) 예측 값은 무엇인가?
• RQ5 이 예측 값은 새로운 광자 원천을 제안하는 대안 모델을 검증하는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 직접 광자 데이터로부터 추출된 열적 평형화 시간 스케일은 약 1/3 fm/c이다.
• 화학적 평형화 시간 스케일은 약 1.5 fm/c로 추정된다.
• 직접 광자의 큰 이방형 유동($v_2$)은 추출된 평형화 시간을 고려한 이상적 유체역학 모델에 의해 일관되게 설명된다.
• 모델은 Pb+Pb 충돌에서 2.76 TeV에서 직접 광자에 대해 뚜렷한 높은 차수의 유동 조화분석 $v_3$, $v_4$, $v_5$를 예측한다.
• 이러한 예측된 높은 차수의 조화분석은 표준 유체역학적 원천과 제안된 새로운 직접 광자 원천을 정량적으로 구별하는 데 사용 가능한 테스트 도구가 된다.