[論文レビュー] The mean transverse momentum of ultracentral heavy-ion collisions: A new probe of hydrodynamics

Fernando G. Gardim, Giuliano Giacalone+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、固定体積におけるエントロピー密度の上昇に起因して、超中央付近のPb+Pb衝突における荷電ハドロンの平均横運動モーメントム⟨pt⟩が増加すると提案する。これは、クォーク- gluonプラズマにおける音速c²sの新しい流体力学的プローブを提供する。lattice QCDによるc²sの値と、イベントごとの粒子生成数の揺らぎを用いて、√sNN = 5.02 TeVにおける1%から0.001%の中央度範囲で⟨pt⟩が約18 MeV上昇すると予測する。これは、流体力学的挙動のモデルに依存しない検証を可能にする。

ABSTRACT

We predict that the mean transverse momentum of charged hadrons $\langle p_t angle$ rises as a function of the charged-particle multiplicity in ultracentral nucleus-nucleus collisions. We explain that this phenomenon has a simple physical origin and represents an unambiguous prediction of the hydrodynamic framework of heavy-ion collisions. We argue that the relative increase of $\langle p_t angle$ is proportional to the speed of sound squared $c_s^2$ of the quark-gluon plasma. Based on the value of $c_s^2$ from lattice QCD, we expect $\langle p_t angle$ to increase by approximately $18$ MeV between 1\% and 0.001\% centrality in Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}=5.02$ TeV.

研究の動機と目的

• 超中央付近の重イオン衝突における流体力学的挙動の新しい、モデルに依存しないプローブとして⟨pt⟩を提案すること。
• 最も中央付近の衝突における固定体積内でのエントロピー密度の上昇が、⟨pt⟩の上昇を直接引き起こすことを説明すること。
• ⟨pt⟩の相対的上昇が、クォーク-グルーオンプラズマにおける音速の二乗c²sに比例することを示すこと。
• イベントごとの粒子生成数の揺らぎとlattice QCDの入力を用いて、⟨pt⟩上昇の定量的かつパrameter-freeな予測を提供すること。
• anisotropic flow測定とは独立して、⟨pt⟩-生成数相関からc²sを実験的に抽出可能にする手法を提供すること。

提案手法

• √sNN = 5.02 TeVにおけるPb+Pb衝突の初期状態におけるエントロピー密度分布を、TRENToモンテカルロモデルを用いてシミュレートする。
• 中央度をイベントごとの荷電粒子生成数Nchによって定義し、これを全エントロピーSの代理として扱う。
• S分布に「ひざ」（knee）を発見し、Sknee ≈ 17,554を境界として、衝突パラメータに依存する（左）と揺らぎに起因する（右）イベントに分ける。
• ベイズ推論を用いて、Sの関数としての初期半径Rとエントロピー密度sを導出し、固定Sにおける平均衝突パラメータ⟨¯S|S⟩を推定する。
• 熱力学的関係式c²s = d ln T / d ln sを適用し、⟨pt⟩ ∝ Tと仮定することで、⟨pt⟩ ∝ (S / ⟨¯S|S⟩)^c²sが得られる。
• ALICE実験のV0振幅（Nchの代理）データを用いてモデルをキャリブレーションし、生成数分布に対してSknee = 33,800およびσ = 1,140をフィットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定体積におけるエントロピー密度の揺らぎが、超中央付近の重イオン衝突における⟨pt⟩の上昇を引き起こすか？
• RQ2 ⟨pt⟩の上昇を用いて、クォーク-グルーオンプラズマにおける音速c²sを抽出可能か？
• RQ3 ⟨pt⟩-生成数相関は、流体力学的挙動の強固で、モデルに依存しないプローブとみなせるか？
• RQ4 予測された⟨pt⟩上昇は、0–20%中央度で平坦な⟨pt⟩を示す現在の実験データとどのように一致するか？
• RQ5 生成数の統計的揺らぎが、観測可能な⟨pt⟩上昇に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• 本論文は、√sNN = 5.02 TeVにおけるPb+Pb衝突において、1%から0.001%の中央度範囲で⟨pt⟩が約18 MeV上昇すると予測する。
• 上昇量は1%から0.1%中央度で8.4 MeV、0.1%から0.01%で5.6 MeV、0.01%から0.001%で4.1 MeVと予測される。
• 予測はlattice QCDから得られるc²s = 0.252を用い、⟨pt⟩ ∝ Tと仮定しており、0–5%中央度範囲でのpt0 = 682 MeVを基準としている。
• 実験的中央度は⟨pt⟩と異なる急速性ウィンドウで定義されることが多く、統計的（ポisson的）な揺らぎにより⟨pt⟩上昇が10%程度減少すると推定している。
• 本手法により、⟨pt⟩(Nch)へのフィットを用いてc²sを実験的に抽出可能であり、√sNN依存測定とは補完的な手法を提供する。
• 予測はモデルの詳細に強く依存せず、生成数とエントロピーのイベントごとの比例関係に依存するのみであり、IP-GlasmaやEbyE EKRTなどの異なる初期状態モデルに対しても成立すると予想される。