[논문 리뷰] Transverse Energy Measurement and Fluctuation Studies in Ultra-Relativistic Heavy Ion Collisions

R. Sahoo|ArXiv.org|2008. 04. 10.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

이 학위논문은 AGS에서 RHIC에 이르는 초상대론적 중이온 충돌에서 횡방향 에너지 및 변동성 측정을 제시하며, 에너지에 관계없이 거의 일정한 $ dE_T/d\bar{\nu} / dN_{ch}/d\bar{\nu} $ 비율을 보여, $ E_T $ 생산 증가의 주요 원인이 높은 입자 다중도 증가에 기인함을 시사한다. 유체역학 모델링과 에너지 밀도 추정은 고밀도의 평형 상태에 도달한 쿼크-글루온 플라즈마 형성을 시사하며, 참가자 쌍당 $ dE_T/d\bar{\nu} $ 와 $ dN_{ch}/d\bar{\nu} $ 의 로그 스케일링을 바탕으로 LHC 에너지에 대한 예측을 수행한다.

ABSTRACT

Transverse energy ($E_T$) has been measured with both of it's components, namely hadronic ($E_T^{had}$) and electromagnetic ($E_T^{em}$) at mid-rapidity, for 62.4 GeV Au+Au collisions by the STAR experiment. In the common phase space of TPC and BEMC ($0 < η< 1$ and full $ϕ$), we have obtained $E_T^{had}$ from the TPC reconstructed tracks and $E_T^{em}$ from the BEMC tower hits after correcting for the hadronic contaminations in the calorimeter. The centrality behavior of $/(0.5 N_{part})$ and the excitation function of $/(0.5 N_{part})$ has been compared with the final state gluon saturation model (EKRT) along with similar measurements from SPS to RHIC. The most striking feature is the observation of a nearly constant value of $E_T/N_{ch} \sim 0.8$ GeV from AGS, SPS to RHIC. The $E_T$ and $N_{ch}$ production has been observed to follow a logarithmic behavior. The initial energy density estimated by the boost-invariant Bjorken hydrodynamic model, is well above the lattice QCD value for a deconfined matter of Quarks and Gluons. Taking similar colliding species i.e. Au+Au, the $ε_{Bj} .τ$ has been predicted for LHC, based on the measurements at RHIC. We have also made predictions for $(dE_T/dη)/(0.5 N_{part})$ and $(dN_{ch}/dη)/(0.5 N_{part})$ for the LHC energy. Furthermore, we have studied the event-by event fluctuations in $E_T$ and in the ratio of it's components using $σ/μ$ as the fluctuation observable.

연구 동기 및 목표

• AGS에서 RHIC에 이르는 초상대론적 중이온 충돌에서 횡방향 에너지 $ E_T $ 와 그 변동성을 측정하기 위해.
• 충돌의 중심도 및 에너지 의존성에 대해 $ E_T $ 와 입자 다중도, 그리고 그 비율을 조사하기 위해.
• 유체역학 모델링과 에너지 밀도 추정을 통해 고밀도의 평형 상태에 도달한 쿼크-글루온 플라즈마 형성 여부 평가하기 위해.
• AGS에서 RHIC 데이터를 기반으로 LHC 에너지에서의 횡방향 에너지 및 충전 입자 다중도를 외삽하여 예측하기 위해.
• 횡방향 에너지의 전자기 성분 비율과 그가 장수하는 분리된 플라즈마 상의 존재를 시사하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• RHIC의 STAR 실험 데이터를 이용해 $ \bar{s}_{NN} = 62.4 $ GeV에서 5% 중심도 충돌에서 $ dE_T/d\bar{\nu} $ 와 $ dN_{ch}/d\bar{\nu} $ 를 측정하였다.
• 비율 $ \frac{dE_T/d\bar{\nu}}{dN_{ch}/d\bar{\nu}} $ 를 계산하고, 에너지 및 중심도 의존성 분석을 수행하였다.
• 보존 불변성 있는 Bjorken 유체역학 모델을 적용하여 初기 에너지 밀도 $ \rho_{\text{Bj}} \tau $ 를 추정하였으며, RHIC에서 $ 3.65 \pm 0.39~\text{GeV}/\text{fm}^3 $ 의 값을 얻었다.
• 참가자 쌍당 $ dE_T/d\bar{\nu} $ 와 $ dN_{ch}/d\bar{\nu} $ 의 로그 스케일링을 이용해 LHC 에너지로의 외삽을 수행하였다.
• 5% 중심도 충돌에서 $ \sigma/\mu $ 를 사용하여 이벤트 간 변동성 측정을 수행하였다: $ E_T $, $ E_T^{em}/E_T^{had} $, $ E_T^{em}/E_T $ 에 대해.
• 결과를 EKRT 글루온 포화 모델 및 유체역학 예측과 비교하여 쿼크-글루온 플라즈마 형성과의 일관성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중이온 충돌에서 $ dE_T/d\bar{\nu} / dN_{ch}/d\bar{\nu} $ 비율은 중심질량 에너지 및 중심도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 중심도 5%에서 $ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV 인 Au+Au 충돌에서 형성된 시스템의 초기 에너지 밀도는 얼마이며, 라티스 QCD 예측과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 횡방향 에너지의 전자기 성분 비율은 중심도 또는 에너지 의존성을 보이며 장수하는 분리된 플라즈마 상의 존재를 시사하는가?
• RQ4 $ dE_T/d\bar{\nu} $ 와 $ dN_{ch}/d\bar{\nu} $ 는 $ \sqrt{s_{NN}} $ 에 대해 얼마나 잘 로그 스케일링되는가? 이를 통해 LHC 외삽이 얼마나 신뢰할 수 있는가?
• RQ5 충돌 중심도에 따라 $ E_T $, $ E_T^{em}/E_T^{had} $, $ E_T^{em}/E_T $ 의 이벤트 간 변동성은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• AGS에서 RHIC에 이르는 범위에서 비율 $ \langle dE_T/d\eta \rangle / \langle dN_{ch}/d\eta \rangle = 866 \pm 122 $ MeV 는 거의 일정하며, 이는 $ E_T $ 증가의 주요 원인이 다중도 증가에 기인함을 시사한다.
• 중심도 5%에서 $ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV 일 때 참가자 쌍당 횡방향 에너지는 $ \langle dE_T/d\eta \rangle / (0.5N_{\text{part}}) = 2.73 \pm 0.29 $ GeV 이다.
• Bjorken 모델을 통해 추정한 초기 에너지 밀도는 $ 3.65 \pm 0.39~\text{GeV}/\text{fm}^3 $ 이며, 이는 분리 전이 임계값보다 50~100배 높다.
• 상위 5% 중심도 이벤트에서 $ E_T $ 의 전자기 성분 비율은 $ 0.318 \pm 0.036 $ 이며, 중심도 의존성이 없음을 보여, 장수하는 플라즈마 지배의 존재를 반박한다.
• 5% 중심도 충돌에서 $ E_T $ 의 변동성은 $ 8.4\% $ 이며, 외곽성 충돌 쪽으로 증가한다.
• 5% 중심도 이벤트에서 $ E_T^{em}/E_T^{had} $ 와 $ E_T^{em}/E_T $ 의 변동성은 각각 $ 14.4\% $ 와 $ 9.74\% $ 이다.
• 로그 스케일링을 기반으로 LHC 에서의 예측된 $ dN_{ch}/d\eta $ 와 $ dE_T/d\eta $ 는 각각 $ \sim(6.53 \pm 0.45) \times (0.5N_{\text{part}}) $ 와 $ \sim(6.03 \pm 0.11) \times (0.5N_{\text{part}}) $ 이다.