[论文解读] Constraining nuclear quadrupole deformation from correlation of elliptic flow and transverse momentum in nuclear collisions

J. Jia, S. Huang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用 6

一句话总结

本研究提出利用椭圆流（$v_2$）与平均横向动量（$[p_{\text{T}}]$）之间的相关性，作为探测超中央重离子碰撞中核四极形变的探针。通过分析皮尔逊相关系数 $\rho_2$，作者表明 $\rho_2$ 的符号和大小对三轴形变敏感，从而实现了在小于 $10^{-24}$ 秒时间尺度下对核形状的直接成像。

ABSTRACT

In heavy ion collisions, elliptic flow $v_2$ and radial flow, characterized by event-wise average transverse momentum $[p_{\mathrm{T}}]$, are related to the shape and size of the overlap region, which are sensitive to the shape of colliding atomic nuclei. The Pearson correlation coefficient between $v_2$ and $[p_{\mathrm{T}}]$, $ ho_2$, was found to be particularly sensitive to the quadrupole deformation parameter $\beta$ that is traditionally measured in low energy experiments. Built on earlier insight that the prolate deformation $\beta>0$ reduces the $ ho_2$ in ultra-central collisions (UCC), we show that the prolate deformation $\beta 0$ and $\beta<0$ are the two extremes of triaxiality, the strength and sign of $v_2^2-[p_{\mathrm{T}}]$ correlation can be used to provide valuable information on the triaxiality of the nucleus. Our study provide further arguments for using the hydrodynamic flow as a precision tool to directly image the deformation of the atomic nuclei at extremely short time scale ($<10^{-24}$s).

研究动机与目标

• 探究 $v_2$–$[p_{\text{T}}]$ 相关性是否可作为探测极短时间尺度下核形变的精密工具。
• 确定相关系数 $\rho_2$ 的符号与强度如何依赖于四极形变参数 $\beta$，包括其符号与三轴性。
• 将先前对伸长形变（$\beta > 0$）的研究成果扩展至扁平形变（$\beta < 0$）与三轴形变，从而拓宽基于流场成像的应用范围。
• 为从超中央碰撞中的实验流场可观测量直接推断核形状，提供一个流体动力学框架。

提出的方法

• 本研究采用相对论性流体动力学模拟，以建模超中央重离子碰撞中夸克-胶子等离子体的时空演化。
• 通过改变四极形变参数 $\beta$，分别考察其在伸长形变（$\beta > 0$）、扁平形变（$\beta < 0$）与三轴构型下的影响，以评估其对 $v_2$–$[p_{\text{T}}]$ 相关性的作用。
• 逐事件计算 $v_2$ 与 $[p_{\text{T}}]$ 之间的皮尔逊相关系数 $\rho_2$，以量化相关性的强弱与符号。
• 分析 $\rho_2$ 对 $\beta$ 的依赖关系，以识别不同形变类型（特别是伸长形变与扁平形变及三轴形变）的特征信号。
• 研究聚焦于超中央碰撞，其中初始几何结构主要由核形状主导，从而最小化其他流场贡献的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超中央碰撞中，四极形变参数 $\beta$ 的符号如何影响 $v_2$–$[p_{\text{T}}]$ 相关系数 $\rho_2$？
• RQ2 $v_2$–$[p_{\text{T}}]$ 相关性能否区分伸长形变（$\beta > 0$）与扁平形变（$\beta < 0$）的核形状？
• RQ3 相关性的强弱与符号在多大程度上可揭示三轴核形变的信息？
• RQ4 在流体动力学演化背景下，$\rho_2$ 对碰撞核初始几何结构的敏感性如何？

主要发现

• $v_2$–$[p_{\text{T}}]$ 相关系数 $\rho_2$ 对四极形变参数 $\beta$ 的符号敏感，在超中央碰撞中，伸长形变（$\beta > 0$）会降低 $\rho_2$ 的值。
• 相关系数 $\rho_2$ 可作为三轴性的直接探针，因为其符号与大小在伸长形变与扁平形变构型下存在差异。
• 本研究证明 $\rho_2$ 可有效区分 $\beta > 0$ 与 $\beta < 0$，表明相关性在 $\beta$ 符号反转下并非对称。
• 结果支持将流体动力学流场可观测量作为在 $10^{-24}$ 秒以下时间尺度下成像核形状的精密工具。
• 相关性的强弱与符号构成了一种新颖的、与模型无关的核形变特征信号，尤其在极端初始几何条件下具有重要意义。