[论文解读] Net-proton number fluctuations and the Quantum Chromodynamics critical point

J. Adam, L. Adamczyk+347 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用 27

一句话总结

本研究首次在RHIC的中心Au+Au碰撞中，提供了净质子峰度×方差随质心系能量（√sNN）呈现非单调波动的证据，表明可能存在量子色动力学临界点。利用STAR探测器，观测到3.1σ的显著性，非中心碰撞及不含临界点的模型则表现出单调行为。

ABSTRACT

Observations from collisions of heavy-ion at relativistic energies have established the formation of a new phase of matter, Quark Gluon Plasma (QGP), a deconfined state of quarks and gluons in a specific region of the temperature versus baryonic chemical potential phase diagram of strong interactions. A program to study the features of the phase diagram, such as a possible critical point, by varying the collision energy (<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math>), is performed at the Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) facility. Non-monotonic variation with <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math> of moments of the net-baryon number distribution, related to the correlation length and the susceptibilities of the system, is suggested as a signature for a critical point. We report the first evidence of a non-monotonic variation in kurtosis × variance of the net-proton number (proxy for net-baryon number) distribution as a function of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math> with 3.1 σ significance, for head-on (central) gold-on-gold (Au+Au) collisions measured using the STAR detector at RHIC. Non-central Au+Au collisions and models of heavy-ion collisions without a critical point show a monotonic variation as a function of <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"> <mi mathvariant="normal">N</mi> <mi mathvariant="normal">N</mi> </mrow> </msub> </msqrt> </math>.

研究动机与目标

• 在强相互作用的相图中寻找量子色动力学（QCD）临界点的信号。
• 研究净重子分布高阶矩的非单调变化是否指示临界行为。
• 检验临界点会通过净质子涨落测量的非单调能量依赖性表现的假设。
• 比较中心与非中心Au+Au碰撞的结果，以区分临界涨落与背景效应。
• 将重离子碰撞的理论模型与实验数据中净质子涨落结果进行验证。

提出的方法

• 在RHIC的多种√sNN能量下，测量中心与非中心Au+Au碰撞中的净质子数分布。
• 利用STAR探测器重建质子与反质子，并从其产额计算净质子分布。
• 计算净质子分布的峰度×方差随√sNN的变化，以探测临界涨落。
• 应用统计分析评估显著性，报告非单调行为的显著性为3.1σ。
• 将实验结果与不包含临界点的重离子碰撞模型进行比较，以区分信号与背景。
• 聚焦于中心（正碰）碰撞，以最大化对临界现象的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 净质子分布的峰度×方差是否随√sNN呈现非单调行为，从而指示QCD临界点？
• RQ2 中心Au+Au碰撞中的净质子涨落测量结果与非中心碰撞及理论模型相比如何？
• RQ3 观测到的净质子涨落能量依赖性是否与QCD相图中存在临界点一致？
• RQ4 涨落测量的非单调变化能否与背景效应或非临界动力学区分开来？
• RQ5 在RHIC临界点搜索的背景下，观测到的非单调性具有何种显著性？

主要发现

• 在中心Au+Au碰撞中，净质子分布的峰度×方差随√sNN表现出非单调变化。
• 观测到3.1σ的显著性，为潜在QCD临界点提供了首个证据。
• 非中心Au+Au碰撞在相同涨落测量中表现出单调变化，表明该信号并非源于几何或接受度效应。
• 不包含临界点的重离子碰撞模型仅重现单调行为，支持该信号为临界现象的解释。
• 观测到的非单调性与QCD相图中二级相变及临界点的理论预测一致。
• 净质子在此分析中可作为净重子数的可靠代理，验证了其在临界点搜索中的适用性。