[论文解读] Particle production in a hybrid approach for a beam energy scan of Au+Au/Pb+Pb collisions between $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 4.3 GeV and $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 200.0 GeV

A. Schäfer, Iu. Karpenko+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2021

High-Energy Particle Collisions Research被引用 2

一句话总结

该论文提出SMASH-vHLLE-混合模型，一种模块化框架，将3+1维黏性流体动力学（vHLLE）与强子输运模型SMASH相结合，用于模拟从√sNN = 4.3 GeV到200.0 GeV的全束流能量范围内的Au+Au/Pb+Pb碰撞。该模型成功再现了实验测量的粒子谱、快度分布及激发函数——包括重子停止效应以及质子谱从高斯分布到双峰分布的转变——在全能量范围内表现出稳健性能。

ABSTRACT

Heavy-ion collisions at varying collision en-ergies provide access to different regions of the QCDphase diagram. In particular collisions at intermedi-ate energies are promising candidates to experimen-tally identify the postulated first order phase tran-sition and critical end point. While heavy-ion col-lisions at low and high collision energies are theo-retically well described by transport approaches andhydrodynamics+transport hybrid approaches, respec-tively, intermediate energy collisions remain a chal-lenge. In this work, a modular hybrid approach, theSMASH-vHLLE-hybrid coupling 3+1D viscous hydrody-namics (vHLLE) to hadronic transport (SMASH), is in-troduced. It is validated and subsequently applied inAu+Au/Pb+Pb collisions between √sNN = 4.3 GeVand √sNN = 200.0 GeV to study the rapidity andtransverse mass distributions of identified particles aswell as excitation functions for dN/dy|y=0 and 〈pT〉. Agood agreement with experimental measurements is ob-tained, including the baryon stopping dynamics. Thetransition from a Gaussian rapidity spectrum of pro-tons at lower energies to the double-hump structure athigh energies is reproduced. The centrality and energydependence of charged particle v2 is also described rea-sonably well. This work serves as a basis for furtherstudies, e.g. systematic investigations of different equa-tions of state or transport coefficients.

研究动机与目标

• 开发一种统一的理论框架，能够描述从4.3 GeV到200.0 GeV全束流能量范围内的重离子碰撞。
• 解决中等能量重离子碰撞缺乏标准模型的问题，此时纯输运模型或流体动力学模型均不足以充分描述物理过程。
• 改进低能区重子停止动力学的描述，这对研究守恒电荷涨落及QCD临界点至关重要。
• 验证一种混合方法，实现在不同碰撞能量和截面下黏性流体动力学与强子输运模型的无缝连接。
• 为未来在QCD相图中研究方程状态与输运系数奠定基础。

提出的方法

• SMASH-vHLLE-混合模型将3+1维黏性流体动力学（vHLLE）用于早期高密区，与SMASH输运模型用于晚期稀疏强子相相结合。
• 模型采用SMASH导出的强子共振气体状态方程来描述流体动力学演化过程中的热力学性质。
• 粒子产生与部分子化过程通过预先计算的(e, nB, nQ) → (T, p, μB, μQ, μS)映射查表实现，避免实时求解方程。
• 流体动力学与输运阶段之间的界面经过验证，确保量子数全局守恒，并在相变边界保持一致性。
• 该模型应用于从√sNN = 4.3 GeV到200.0 GeV共12个能量点的Au+Au/Pb+Pb碰撞，覆盖多种截面。
• 尝试对SMASH状态方程进行参数化，但未成功，因此仍采用预计算查表并结合插值的标准方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合黏性流体动力学与强子输运的混合模型能否准确描述从4.3 GeV到200.0 GeV全束流能量范围内的粒子产生？
• RQ2 SMASH-vHLLE-混合模型在能量增加时，对质子快度分布从高斯分布到双峰分布的转变再现程度如何？
• RQ3 该模型在低能区对重子停止动力学的捕捉程度如何，这对QCD相图研究至关重要？
• RQ4 在不同能量下，π介子、质子和K介子的dN/dy|y=0与⟨pT⟩激发函数与实验数据的符合程度如何？
• RQ5 该模型能否在全能量范围内一致地描述冻结-out属性与粒子谱的截面依赖性？

主要发现

• SMASH-vHLLE-混合模型成功再现了从√sNN = 4.3 GeV到200.0 GeV的质子快度谱从高斯分布到双峰分布的转变，与实验数据一致。
• 模型准确再现了质子的dN/dy|y=0激发函数，在√sNN ≈ 10–20 GeV附近呈现峰值，与实验测量结果一致。
• 在所有能量下，质子、π介子和K介子的⟨pT⟩激发函数均被良好再现，仅表现出微弱的截面依赖性。
• 在高能区，冻结-out超曲面性质的截面依赖性较小，但随能量降低而增强，尤其在质子中更为显著。
• 该模型成功再现了重子停止动力学，这是探测QCD临界点与相结构的关键信号。
• 尽管进行了大量尝试，仍未找到有效的SMASH强子共振气体状态方程参数化形式，因此仍保留使用预计算查表与插值的标准方法。