[论文解读] Relativistic kinetic approach to light nuclei production in high-energy nuclear collisions

Kai-Jia Sun, Rui Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2021

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 43被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种包含轻核有限尺寸效应的相对论性 kinetic 方法，用于描述高能核碰撞中轻核的产生。通过使用随机方法求解 kinetic 方程，并引入核子团簇动力学，该模型准确再现了 RHIC 和 LHC 能量下 Au+Au 和 pp 碰撞中氘核和氦-3 的横向动量谱，解决了小系统中轻核产额抑制这一长期存在的难题。

ABSTRACT

Understanding the production mechanism of light (anti-)nuclei in high-energy nuclear collisions and cosmic rays has been a long-standing problem in nuclear physics. In the present study, we develop a stochastic method to solve the relativistic kinetic equations for light nuclei production from many-body reactions with the inclusion of their finite sizes. The present approach gives an excellent description of the deuteron and helium-3 data from central Au+Au (Pb+Pb) collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ $=$ $200~ m GeV$ ($2.76~ m TeV$). It can also naturally explain their suppressed production in $pp$ collisions at 7 TeV as a result of their finite sizes.

研究动机与目标

• 解决在小系统（如 pp）碰撞中轻（反）核产额抑制这一长期存在的难题，其中有限尺寸效应不可忽略。
• 发展一种相对论性 kinetic 框架，考虑在强子物质中形成与解离过程中氘核和 $^3$He 等轻核的空间扩展效应。
• 在现有模型（如统计强子化和相空间团簇）的基础上，通过引入具有有限尺寸效应的动态多体反应速率，实现改进。
• 阐明强子化与后续强子散射在决定大、小系统中轻核最终产额时的相对作用。
• 为不同系统（Au+Au、Pb+Pb、pp）提供统一的轻核产生描述，考虑系统尺寸相关的抑制效应。

提出的方法

• 研究基于闭合时间路径上的时间有序格林函数推导出相对论性 kinetic 方程，实现对致密强子物质中多体动力学的系统处理。
• 采用随机模拟方法求解 kinetic 方程，以包含涉及轻核及其解离通道的复杂多体反应。
• 通过格林函数的梯度展开引入轻核的有限尺寸效应，显式保留团簇中核子之间的相对坐标。
• 应用冲量近似计算 $\pi d \leftrightarrow \pi NN$ 等反应的振幅，假设氘核中一个核子被击中，而另一个为准自由状态。
• 初始强子分布由 MUSIC 流体动力学模型或 AMPT 输运模型生成，提供系统真实的时空演化。
• 该模型同时处理强子化（QGP 强子化）和冻结后强子散射，当包含有限尺寸效应时，产额对初始条件敏感。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在 7 TeV 的 pp 碰撞中，尽管在高能核碰撞中可产生氘核和 $^3$He，其产额仍被抑制？
• RQ2 轻核的有限空间尺寸在致密强子物质中如何影响其形成与解离速率？
• RQ3 在小系统（如 pp）中，初始条件（如强子化时的轻核产额）对最终观测谱的影响程度如何？
• RQ4 能否通过包含有限尺寸效应的动态 kinetic 模型再现 Au+Au/Pb+Pb 和 pp 碰撞中 $d$ 和 $^3$He 的实验 $p_T$ 谱？
• RQ5 在小系统碰撞中，强子化与强子散射对轻核产生的相对贡献是什么？

主要发现

• 在 kinetic 模型中引入有限尺寸效应，是准确再现 $\sqrt{s_{\rm NN}} = 7~{\rm TeV}$ 时 pp 碰撞中氘核和 $^3$He 的抑制 $p_T$ 谱的关键，否则若将核素视为点粒子，其谱将被高估。
• 在 $\sqrt{s_{\rm NN}} = 200~{\rm GeV}$ 和 $2.76~{\rm TeV}$ 的中心化 Au+Au 和 Pb+Pb 碰撞中，该模型在所有横向动量范围内均与实验测量的 $d$ 和 $^3$He $p_T$ 谱良好符合。
• 在 pp 碰撞中，当包含有限尺寸效应时，$d$ 和 $^3$He 的最终产额对强子化时的初始产额敏感，而大系统中由于强子演化时间长，初始条件会被抹平。
• 该模型表明，pp 碰撞中强子散射速率不足以在短 timescale（~几 fm/$c$）内达到化学平衡，因此初始条件和有限尺寸效应对最终产额至关重要。
• pp 碰撞预测中的理论不确定性（如图 3(d) 中的阴影区域所示）主要源于初始 $d$ 和 $^3$He 产额，后者受小系统中规范效应的影响。
• 该模型为统计强子化和团簇模型提供了动态替代方案，仅在热平衡、均匀物质极限下退化为这些模型。