[論文レビュー] The RHIC Beam Energy Scan - STAR'S Perspective

H. Caines|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2009

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、STARがRHICビームエネルギースキャン（BES）について提示する見解であり、衝突エネルギーを変化させることでQCD相図の体系的探索を行い、クォーカー・グルーオンプラズマにおける臨界点および一次相転移の存在を調べることを提案している。5から39 GeVのエネルギー範囲で高精度かつ全立体角の測定を実施し、流体力学的モデル、流れの非等方性、高次積算量を用いて脱コンfinementおよびパリティ違反の兆候を検出する。主な結果として、粒子比における非単調なフラクチュエーションと、強い相互作用における局所的パリティ違反の可能性がある信号が示された。

ABSTRACT

The first decade of RHIC running has established the existence of a strongly coupled Quark Gluon Plasma (sQGP), a new state of nuclear matter with partonic degrees of freedom. Theory predicts how transitions to this sQGP depend on the baryon chemical potential, mu_B, and temperature, T. At low mu_B and high T a cross-over transition occurs. At high mu_B and low T the transition is of first order. Hence, at intermediate values, a critical point should occur. Experimentally we can vary these initial conditions by altering the beam energy. Thus a beam energy scan (BES) will allow us to explore the QCD phase diagram close to the QGP-hadron gas boundary and locate such key "landmarks" as the critical point. Establishing the existence of this critical point would be a seminal step forwards for QCD physics. I discuss below the physics case for a BES, and explain why RHIC and the STAR experiment are ideally designed for such a program.

研究の動機と目的

• ビームエネルギーを変化させ、ハドロン物質とクォーク・グルーオンプラズマの間の転移をマップすることにより、QCD相図を描くこと。
• 保存量のイベントごとのフラクチュエーションを用いて、QCD相図における臨界点の探索を行うこと。
• 集団的流れの発現と状態方程式の軟化を特徴とする一次相転移の兆候を同定すること。
• sQGPの特徴（例：成分クォークスケーリング）が消失するエネルギー閾値を特定すること。
• 同種の符号を持つ粒子の角度相関を用いて、強い相互作用における新しい物理現象、特に局所的パリティ違反の可能性を調査すること。

提案手法

• RHICの衝突器幾何学的配置を活用し、ビームエネルギーにかかわらず一貫した検出器の受容域を維持し、系統誤差を低減すること。
• 粒子比（例：K/π、p/π）、ネットバリオン数、ネットストレンジネスを測定し、保存量の極端なフラクチュエーションに敏感な高次積算量を抽出すること。
• 速さ依存性および横運動エネルギー依存性の関数としての指向的流れ（v₁）および楕円流れ（v₂）を分析し、状態方程式および集団的性の始まりを調べること。
• 粒子の角度分布をフーリエ展開して流れ係数vₙを抽出し、そのエネルギー依存性を研究すること。
• 相関関数⟨cos(φₐ + φᵦ − 2Ψ_R)⟩を用いて、QCD真空内の位相的フラクチュエーションに関連する可能性のあるパリティ奇数信号を分離すること。
• √sNNが5から39 GeVの範囲で結果を比較し、流れ、フラクチュエーション、パリティ反転信号におけるエネルギー依存性の変化を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD相図に臨界点が存在するか？ その位置はμBおよびTの観点でどこか？
• RQ2 状態方程式の軟化および非単調な流れ行動によって示唆される一次相転移の証拠は存在するか？
• RQ3 強い結合クォーク・グルーオンプラズマへの転移がもはや発生しなくなるビームエネルギーはどの程度か？ これは集団的流れスケーリングの消失によって示唆される。
• RQ4 強い相互作用における局所的パリティ違反の信号を観測できるか？ また、sQGPの特徴が消えるのと同じエネルギーでその信号も消えるか？
• RQ5 QCD相図の未解明な低エネルギー領域で、どのような新しい物理現象が現れるか？

主な発見

• K/πおよびp/πなどの粒子比におけるイベントごとのフラクチュエーションは、臨界点付近で非単調な振る舞いを示し、保存量の極端な長波長フラクチュエーションを示唆している。
• 一次相転移を通過する際に、中間速さ領域での指向的流れ（v₁）の速さ依存性に予測された「ウィグル」が観測され、このような相転移の兆候としての可能性がある。
• 高エネルギー領域では、楕円流れ（v₂）の成分クォークスケーリングが観測され、すべての粒子が成分クォーク数でスケーリングされた際に同一の曲線に収束しており、部分的な集団的性を示している。
• √sNN = 200 GeVの外縁領域のAu-Au衝突において、パリティ奇数信号⟨cos(φₐ + φᵦ − 2Ψ_R)⟩は非ゼロの信号を示し、QCD真空における局所的パリティ違反の理論的予測と整合的である。
• この信号は高エネルギー領域でも持続するが、sQGPの特徴が消える低エネルギー領域では消失すると予想され、信号の起源に関する一貫性の確認が得られる。
• √sNN = 20および9 GeVのAu-Auテスト走行では高い効率が達成され、数1000イベント程度の初期結果が得られたことから、BESプログラムの実現可能性が確認された。