[论文解读] Minijet initial state of heavy-ion collisions from next-to-leading order perturbative QCD

Risto Paatelainen|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2014

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 15被引用 3

一句话总结

本文提出了一种用于计算重离子碰撞中微喷胶初始条件的下一阶修正（NLO）微扰量子色动力学（pQCD）框架，结合了改进的部分子分布函数以及红外/共线安全的测量函数。NLO改进的EKRT模型成功再现了RHIC和LHC能量下的整体可观测量，从而实现了对QCD物质温度依赖性剪切黏滞系数的约束测定。

ABSTRACT

The aim of this thesis is to calculate field-theoretically as rigorously as possible the initial state of partonic matter produced in ultrarelativistic heavy-ion collisions at CERN-LHC and BNL-RHIC colliders. The computed minijet initial conditions are then used in the initialization of the relativistic hydrodynamical modeling of these collisions. In the theoretical introduction part the computation of parton production cross section at next-to-leading order (NLO) perturbative QCD (pQCD) is discussed. Furthermore, the full analytical calculation for the squared quark-quark scattering matrix element including the systematic ultraviolet renormalization is presented. Finally, the subtraction method allowing for the cancellation of the infrared and collinear singularities in the partonic QCD cross section at NLO is discussed. In the more phenomenological part of the thesis the original EKRT model, which combines collinearly factorized leading-order pQCD minijet production with gluon saturation, is introduced. Next, the minijet production is generalized rigorously to NLO. In particular, a new set of measurement functions is introduced to define the produced infrared- and collinear-safe minijet transverse energy, in terms of which the saturation is now formulated. Finally, the framework is updated with the latest knowledge of nuclear parton distribution functions. Using the NLO-improved EKRT model with hydrodynamics we obtained a good agreement with the measured centrality dependence of the low-transverse-momentum bulk observables, simultaneously at the LHC and RHIC. In particular, aiming at a determination of the QCD matter properties from these measurements, we were able to constrain the temperature dependence of the QCD matter shear viscosity, which is an important result.

研究动机与目标

• 开发一种场论上严谨的NLO pQCD框架，用于计算超相对论性重离子碰撞中的微喷胶产生。
• 通过减去法和紫外重正化方法，解决部分子截面中的红外和共线奇异性。
• 通过引入NLO修正和更新的核部分子分布函数，推广EKRT模型。
• 通过使用对红外和共线安全的微喷胶横向能量测量函数，改进初始能量密度和饱和效应的描述。
• 通过将流体动力学模拟与RHIC和LHC的实验数据对比，约束QCD物质剪切黏滞系数的温度依赖性。

提出的方法

• 对NLO下夸克-夸克散射振幅进行完整的解析计算，包括一环虚修正和实辐射贡献。
• 使用QCD反项对自能量、顶点和盒子图进行系统化的紫外重正化。
• 应用减去法以消除NLO截面中的红外和共线发散。
• 引入一组新的测量函数，以定义对红外和共线安全的微喷胶横向能量，从而实现一致的饱和建模。
• 使用NLO改进的微喷胶产生和现代核部分子分布函数（包括核修饰因子）更新EKRT模型。
• 将NLO微喷胶初始条件与相对论性黏滞流体动力学相结合，以模拟重离子碰撞中的整体可观测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何系统地应用NLO pQCD，以场论严谨性计算重离子碰撞中微喷胶初始条件？
• RQ2 NLO修正和改进的部分子分布函数对饱和尺度和初始能量密度有何影响？
• RQ3 NLO改进的EKRT模型能否同时描述RHIC和LHC能量下对中心度依赖的整体可观测量？
• RQ4 包含黏滞流体动力学和NLO初始条件如何影响QCD物质剪切黏滞系数的提取？
• RQ5 通过与实验数据对比，可以对剪切黏滞系数与熵密度比的温度依赖性施加何种约束？

主要发现

• NLO改进的EKRT模型在RHIC和LHC能量下均与低横向动量整体可观测量的实验测量结果在中心度依赖性上表现出良好一致性。
• 引入NLO修正和更新的核部分子分布函数显著改善了微喷胶产生和初始能量密度的描述。
• 该框架通过新引入的测量函数，实现了对微喷胶横向能量的一致且对红外和共线安全的定义。
• 该模型成功约束了QCD物质剪切黏滞系数的温度依赖性，为理解夸克-胶子等离子体的本质提供了关键物理洞见。
• NLO微喷胶程序的数值实现（包括完整的重正化和减去法）已通过验证，并用于生成论文中的所有结果。
• NLO改进的流体动力学模拟在宽广的能量范围内成功再现了带电强子的$p_T$谱和核抑制因子的实验数据。