[论文解读] Ensemble-mean $\bf p_t$ and hadron production in high-energy nuclear collisions

T. A. Trainor|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用 3

一句话总结

本文提出了一种高能核碰撞中强子产生的两分量模型（TCM），将系综平均横向动量（$\bar{p}_t$）与最小截面二喷胶（dijet）贡献联系起来。结果表明，$\bar{p}_{th}$（硬组分）在 $p$-$p$ 碰撞中与粒子多重度呈平方关系，进入 Pb-Pb 碰撞后呈现 eikonal 行为，而 $p$-Pb 碰撞则表现为中间情况，挑战了对 $\bar{p}_t$ 趋势的传统流体动力学解释。

ABSTRACT

A two-component (soft + hard) model (TCM) of hadron production in high-energy nuclear collisions is applied to ensemble-mean $p_t$ (denoted by $\bar p_t$) data for $p$-$p$, $p$-Pb and Pb-Pb collisions from the relativistic heavy ion collider (RHIC) and large hadron collider (LHC). This $\bar p_t$ TCM is directly related to a recently-published TCM for the charge-multiplicity $n_{ch}$ and collision-energy dependence of $p_t$ spectrum data from $p$-$p$ collisions. Multiplicity dependence of the $p$-$p$ spectrum hard component observed in the previous study is consistent with similar behavior for $\bar p_t$ hard component $\bar p_{th}$. $p$-$p$ $\bar p_t$ $n_{ch}$ dependence is observed to follow a noneikonal trend for the TCM hard component (dijet production $\propto n_{ch}^2$), whereas the trend for Pb-Pb collisions is consistent with the eikonal approximation assumed for the Glauber A-A centrality model. The $p$-Pb trend is intermediate, transitioning from the noneikonal $p$-$p$ trend for more-peripheral collisions to an eikonal trend for more-central collisions. The multiplicity dependence of participant number $N_{part}$ and binary-collision number $N_{bin}$ inferred from $p$-Pb $\bar p_t$ data differs strongly from a Glauber Monte Carlo model of that system. The rapid increase with $n_{ch}$ and large magnitude of $\bar p_t$ for the $p$-$p$ and $p$-Pb systems suggests that minimum-bias jets (TCM hard component) dominate $\bar p_t$ variation. The trend for $\bar p_{th}$ in Pb-Pb collisions is consistent with quantitative modification of jet formation in more-central A-A collisions.

研究动机与目标

• 使用软和硬强子产生两分量模型（TCM）解释 $p$-$p$、$p$-Pb 和 Pb-Pb 碰撞中 $\bar{p}_t$ 趋势。
• 确定 $\bar{p}_t$ 变化是由喷胶产生还是流体动力学流机制驱动。
• 检验 $\bar{p}_{th}$ 多重度依赖性是否与 $p$-$p$ 和 $p$-Pb 系统中二喷胶产生及喷胶碎片化一致。
• 评估 A-A 碰撞中 $\bar{p}_t$ 行为是否与 Glauber 中心度模型一致，或是否需要修改喷胶动力学。
• 建立 $\bar{p}_t$ TCM 参数与独立测量的喷胶谱和碎片化函数之间的直接定量联系。

提出的方法

• TCM 将 $p_t$ 谱建模为软（类热）和硬（二喷胶）组分之和，其中硬组分由依赖于软组分密度 $\bar{\rho}_s = n_s / \Delta\eta$ 的高斯宽度 $\sigma_{y_t+}$、$\sigma_{y_t-}$ 和指数尾部参数 $q$ 参数化。
• $\bar{p}_t$ 硬组分 $\bar{p}_{th}(n_s, \sqrt{s})$ 由 TCM 谱模型推导，并拟合 RHIC 和 LHC 能量下 $p$-$p$、$p$-Pb 和 Pb-Pb 碰撞的 $\bar{p}_t$ 数据。
• 分析 $\bar{p}_{th}$ 的 $n_{ch}$ 依赖性，以检验其是否遵循 $p$-$p$ 中的非 eikonal $n_{ch}^2$ 趋势，或 Pb-Pb 中的 eikonal 趋势。
• 模型使用参数化形式的 $\sigma_{y_t+}$、$\sigma_{y_t-}$ 和 $q$ 作为 $\bar{\rho}_s$ 的函数，其形式基于 200 GeV 和 13 TeV 能量下 $p$-$p$ 碰撞的 $p_t$ 谱分析结果。
• $p$-Pb 系统被建模为介于 $p$-$p$（非 eikonal）和 Pb-Pb（eikonal）行为之间的过渡，基于有效参与核子对数。
• 通过将 $\bar{p}_{th}$ 预测值与实测喷胶谱和碎片化函数对比，验证了 TCM，确认其与二喷胶产生的定量一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 TCM 是否表明，$p$-$p$ 碰撞中 $\bar{p}_t$ 趋势源于最小截面二喷胶产生？
• RQ2 $p$-Pb 碰撞中 $\bar{p}_{th}$ 的多重度依赖性如何在 $p$-$p$ 和 Pb-Pb 行为之间过渡？
• RQ3 Pb-Pb 碰撞中 $\bar{p}_t$ 硬组分是否与中心碰撞中的 eikonal 标度一致，或需要修改喷胶动力学？
• RQ4 是否可以仅通过单一 TCM 框架，无需引入流体动力学流，定量描述 $p$-$p$、$p$-Pb 和 Pb-Pb 中的 $\bar{p}_t$ 数据？
• RQ5 TCM 中 $\bar{p}_{th}$ 的参数在多大程度上反映了实测喷胶特性，如碎片化和横向动量分布？

主要发现

• $p$-$p$ 碰撞中 $\bar{p}_{th}$ 组分与多重度呈平方关系（$n_{ch}^2$），与非 eikonal 二喷胶产生一致。
• $p$-Pb $\bar{p}_t$ 趋势在弱相互作用碰撞中表现为类似 $p$-$p$ 的非 eikonal 行为，在中心碰撞中则呈现类似 eikonal 的行为。
• Pb-Pb 中 $\bar{p}_{th}$ 的多重度依赖性与 Glauber A-A 中心度模型中假设的 eikonal 近似一致。
• 从 $p$-Pb $\bar{p}_t$ 数据推断出的 $N_{part}$ 和 $N_{bin}$ 与 Glauber 蒙特卡罗模型预测值存在显著差异，表明存在非平凡的几何效应。
• Pb-Pb 中 $\bar{p}_{th}$ 组分与实测喷胶谱和碎片化函数在定量上一致，证实其源于二喷胶。
• $\bar{p}_t$ TCM 仅使用少数几个参数，即可对所有系统提供精确且简洁的 $\bar{p}_t$ 数据描述，无需引入流体动力学流。