[论文解读] Correlations between flow and transverse momentum in Xe+Xe and Pb+Pb collisions at the LHC with the ATLAS detector: A probe of the heavy-ion initial state and nuclear deformation

Georges Aad, Abbott, B.+2894 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 4

一句话总结

本研究利用ATLAS数据，在√𝑠NN = 5.44 TeV的Xe+Xe和5.02 TeV的Pb+Pb碰撞中，测量了流谐波（𝑣𝑛）与平均横向动量（[𝑝T]）之间的相关性。结果表明，中心碰撞中𝑣2–[𝑝T]相关性对核变形极为敏感，提供了强有力的证据，证明¹²⁹Xe为三轴椭球体，既非长形也非扁形对称，为高能碰撞中核形状的新型探测手段。

ABSTRACT

The correlations between flow harmonics vn for n=2, 3, and 4 and mean transverse momentum [pT] in Xe129+Xe129 and Pb208+Pb208 collisions at s=5.44 and 5.02 TeV, respectively, are measured using charged particles with the ATLAS detector. The correlations are potentially sensitive to the shape and size of the initial geometry, nuclear deformation, and initial momentum anisotropy. The effects from nonflow and centrality fluctuations are minimized, respectively, via a subevent cumulant method and an event-activity selection based on particle production at very forward rapidity. The vn-[pT] correlations show strong dependencies on centrality, harmonic number n, pT, and pseudorapidity range. Current models qualitatively describe the overall centrality- and system-dependent trends but fail to quantitatively reproduce all features of the data. In central collisions, where models generally show good agreement, the v2-[pT] correlations are sensitive to the triaxiality of the quadruple deformation. Comparison of the model with the Pb+Pb and Xe+Xe data confirms that the Xe129 nucleus is a highly deformed triaxial ellipsoid that has neither a prolate nor oblate shape. This provides strong evidence for a triaxial deformation of the Xe129 nucleus from high-energy heavy-ion collisions.

研究动机与目标

• 研究流–横向动量相关性对重离子碰撞中初始态几何结构和核变形的敏感性。
• 检验高能碰撞是否可作为探测核形状的手段，特别是对¹²⁹Xe等质量数为奇数的核素。
• 利用中心碰撞中流谐波与[𝑝T]之间的相关性，确定¹²⁹Xe的形变参数（𝛽, 𝛾）。
• 将模型预测与数据进行比较，评估初始态动量各向异性和中心度涨落的作用。
• 确定¹²⁹Xe核是否表现出三轴形变，区别于长形或扁形结构。

提出的方法

• 使用皮尔逊相关系数𝜌𝑛定义𝑣𝑛–[𝑝T]相关性，即𝜌𝑛 = ⟨𝑣𝑛𝛿𝑝T⟩ / √(⟨𝑣𝑛²⟩⟨𝛿𝑝T²⟩)，其中𝛿𝑝T = 𝑝T − [𝑝T]。
• 采用子事件累积方法抑制非流相关性，确保测量的相关性反映真实的动力学效应。
• 基于前向快速度区域的粒子产生情况，实施事件活动选择，以最小化中心度涨落的影响。
• 分析不同中心度区间和伪快度范围内的带电粒子，研究其对碰撞几何结构和谐波阶数的依赖性。
• 将数据与初始态模型（如Glauber、CGC）及黏性流体动力学模型进行比较，评估模型表现。
• 通过将𝑣2–[𝑝T]相关性数据拟合至包含cos(3𝛾)𝛽³的参数形式，提取对形变的敏感性，该形式依赖于三轴性。

实验结果

研究问题

• RQ1 𝑣𝑛–[𝑝T]相关性在Xe+Xe和Pb+Pb碰撞中如何依赖于中心度、谐波阶数𝑛和伪快度？
• RQ2 这些相关性在多大程度上对碰撞核的初始几何结构和核变形敏感？
• RQ3 在中心Xe+Xe碰撞中观测到的相关性能否区分长形、扁形和三轴核形状？
• RQ4 当前的流体动力学和初始态模型是否能定量再现测量到的𝑣𝑛–[𝑝T]相关性模式？
• RQ5 基于𝑣2–[𝑝T]相关性数据，¹²⁹Xe中三轴形变的证据是什么？

主要发现

• 中心Xe+Xe碰撞中𝑣2–[𝑝T]相关性对三轴性参数cos(3𝛾)表现出强烈依赖性，表明其对核形状的敏感性超越了简单的长形或扁形对称。
• 数据排除了¹²⁹Xe为长形或扁形核的可能性，提供了强有力的证据，证明该核为三轴形，𝛾 ≈ 30°，对应最大三轴性。
• 中心Xe+Xe碰撞中测量的𝑣2–[𝑝T]相关性与从𝑣2,Xe/𝑣2,Pb比值推断出的四极形变参数𝛽Xe ≈ 0.16–0.2一致。
• 当前模型定性再现了相关性在中心度和体系依赖性上的整体趋势，但未能定量描述所有特征，特别是外围碰撞中𝜌2的符号和大小。
• 𝑣𝑛–[𝑝T]相关性在中心和中等中心碰撞中为正，在外围区域为负，与初始态几何结构和径向流涨落的预期一致。
• Pb+Pb与Xe+Xe数据的比较证实，¹²⁹Xe并非球形，且表现出显著形变，其中三轴形成为主导构型。