[论文解读] (3+1)-D viscous hydrodynamics CLVisc at finite net baryon density: identified particle spectra, anisotropic flows and flow fluctuations across BES energies

Xiang-Yu Wu, Guang-You Qin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用 4

一句话总结

该研究将(3+1)-维粘性流体动力学模型CLVisc扩展至包含净重子数守恒及通过Israel-Stewart类方程描述的重子扩散，采用NEOS-BQS状态方程和基于蒙特卡洛Glauber模型的事件逐次初始条件。该模型成功再现了RHIC-BES能量范围（7.7–62.4 GeV）内各类粒子的甄别谱、各向异性流及流体涨落，显示平均横向动量和流随能量的轻微增加主要源于径向流的增强，且相对椭圆流涨落对碰撞能量不敏感，与STAR实验数据一致。

ABSTRACT

To study the bulk properties of the quark-gluon-plasma (QGP) produced at the beam energy scan (BES) energies at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), we extend the (3+1)-dimensional viscous hydrodynamics CLVisc to include net baryon number conservation and Israel-Stewart-like equation for baryon diffusion with the NEOS-BQS equation of state, fluctuating initial conditions from Monte-Carlo Glauber model, and the afterburner SMASH. This integrated framework is shown to provide a good description of identified particle spectra, mean transverse momenta and anisotropic flows for different centralities and over a wide range of collision energies (7.7-62.4 GeV). It is found that the mean momenta of identified particles and anisotropic flows increases mildly with the collision energy due to larger radial flow. We further compute the multiple-particle cumulant ratio $v_2\{4\}/v_2\{2\}$ of elliptic flow across BES energies, and find that the relative fluctuations of elliptic flow are insensitive to the collision energy, consistent with the preliminary STAR data. Our model provides a benchmark for understanding the RHIC-BES data and studying the critical properties and phase structure of hot and dense QCD matter.

研究动机与目标

• 开发一个能够体现有限净重子密度的现实事件逐次流体动力学框架，用于研究RHIC-BES能量下的QGP。
• 解决标准流体动力学在低能重离子碰撞中因重子数守恒和扩散效应不可忽略而存在的局限性。
• 为理解QGP的集体性质并探测QCD相图（包括临界点）提供基准模型。
• 利用一致的初始条件、状态方程和末态器，模拟QCD物质从准平衡到化学冻结的完整演化过程。

提出的方法

• 将(3+1)维粘性流体动力学代码CLVisc扩展，以包含净重子数守恒及第二阶Israel-Stewart类方程描述的重子扩散流。
• 采用考虑有限重子化学势的NEOS-BQS状态方程，以封闭流体动力学运动方程。
• 利用蒙特卡洛Glauber模型生成事件逐次的扰动能量密度和净重子密度分布，实现事件逐次模拟。
• 应用SMASH末态器模拟流体动力学阶段之后稀疏强子气体的动力学演化。
• 在宽广的束流能量范围（7.7–62.4 GeV）和不同中心度下执行事件逐次模拟，计算包括谱、流和累积矩比在内的可观测量。
• 计算多粒子累积矩比，如$v_2\{2\}/v_2\{4\}$，以量化流涨落及其能量依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在BES能量范围内，甄别粒子谱和平均横向动量如何随碰撞能量和中心度演化？
• RQ2 各向异性流（$v_2$，$v_3$）在多大程度上随束流能量增加，其增加的驱动力是什么？
• RQ3 相对流涨落（以$v_2\{2\}/v_2\{4\}$量化）如何依赖于碰撞能量和中心度？
• RQ4 该模型对流涨落的预测是否与BES能量范围内初步的STAR数据一致？
• RQ5 在粘性流体动力学中引入重子扩散和有限重子密度，能否改善低能区粒子谱和流的描述？

主要发现

• 该模型成功再现了7.7–62.4 GeV范围内甄别粒子谱和平均横向动量的质量、中心度及碰撞能量依赖性。
• 平均横向动量随束流能量和中心度的增加而轻微上升，主要归因于更致密和更中心的系统中径向流的增强。
• 质子的平均横向动量对碰撞能量的敏感性高于π介子或K介子，与径向流主导的机制一致。
• 椭圆流（$v_2$）和三角流（$v_3$）随束流能量轻微增加，其驱动力为径向流的增长，而非初始几何形状的变化。
• 多粒子累积矩比$v_2\{2\}/v_2\{4\}$表现出非单调的中心度依赖性，中等中心度碰撞中相对涨落最小，主要受几何效应主导。
• 相对椭圆流涨落（$v_2\{2\}/v_2\{4\}$）对碰撞能量不敏感，与初步STAR数据一致。