[论文解读] Searching for the Subatomic Swirls in the CuCu and CuAu Collisions

Shuzhe Shi, Kangle Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

High-Energy Particle Collisions Research被引用 9

一句话总结

本文提出利用RHIC能区的CuCu和CuAu碰撞作为独立实验探针，验证STAR合作组对亚原子漩涡——夸克-胶子等离子体中极端涡旋流体流——的发现。基于AMPT输运模型，尽管流体涡度相近，但预测在更小、更快演化的小系统中，CuCu和CuAu体系的$λ$超子极化更强，原因在于超子产生更早。该预测形成可检验的极化强度层级：CuCu $>$ CuAu $>$ AuAu。

ABSTRACT

Recently the STAR Collaboration discovered the "subatomic swirls", that is, the most vortical fluid flow structures in the quark-gluon plasma produced via the AuAu collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). Published in Nature and featured as a cover story, this discovery attracted significant interest and generated wide enthusiasm. For such an important finding, it is crucial to look for independent evidences of confirmation and to critically test the current interpretation of the global polarization measurement. We suggest that the CuCu and CuAu colliding systems at RHIC provide such opportunity. Interestingly, our calculations reveal that the fluid vorticity in the CuCu or CuAu collision is comparable to that in the AuAu Collision. Surprisingly, we find the computed $Λ$ hyperon polarization effect is stronger in the CuCu and CuAu systems than the AuAu system at the same collisional beam energy and centrality class, with an interesting hierarchy CuCu $>$ CuAu $>$ AuAu due to interplay between $Λ$ production timing and the time evolution of the vorticity. These predictions can be readily tested by experimental data.

研究动机与目标

• 为STAR合作组发现的全局超子极化提供独立的实验验证，作为夸克-胶子等离子体中亚原子漩涡的证据。
• 通过比较具有相似涡度但初始几何结构和演化动力学不同的体系，检验极化数据是否源于流体涡度的解释。
• 探究超子产生时间是否影响不同碰撞体系中的极化信号。
• 预测CuCu、CuAu和AuAu体系间可观测的极化差异，以实现与实验的直接对比。

提出的方法

• 采用AMPT输运模型的弦熔化版本，模拟RHIC能量下的重离子碰撞。
• 使用一致的模型参数，标定以重现AuAu体系在粒子产额、横向动量谱和椭圆流方面的实验数据。
• 追踪CuCu、CuAu和AuAu体系中流体涡度（$\langle\omega_y\rangle$）的时间演化，以比较涡度大小和动力学行为。
• 通过在冻结-out时刻将超子自旋取向与演化中的流体涡度相关联，计算$\Lambda$超子的极化。
• 分析$\phi$介子极化作为次要可观测量，聚焦于$S_{\hat{p}}=0$态的偏离，以评估二阶涡旋效应。
• 比较不同体系间的极化层级，以分离产生时间与涡度演化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同束流能量和中心度下，CuCu和CuAu碰撞中的流体涡度是否与AuAu碰撞中的涡度相当？
• RQ2 尽管涡度相似，为何$\Lambda$超子极化信号在CuCu和CuAu中比在AuAu中更强？
• RQ3 在不同碰撞体系中，$\Lambda$超子产生时间如何影响最终的极化信号？
• RQ4 $\phi$介子极化能否作为涡旋效应的互补探针？其是否也表现出相似的层级关系？
• RQ5 涡度随时间的演化在塑造观测到的极化层级中起何种作用？

主要发现

• 在相同束流能量和中心度下，CuCu和CuAu碰撞中的流体涡度在量级和时间演化上与AuAu碰撞中的涡度定量相当。
• 预测$\Lambda$超子极化信号在CuCu中最强，其次为CuAu，最弱为AuAu，形成清晰的层级关系：CuCu $>$ CuAu $>$ AuAu。
• 该层级关系源于$\Lambda$超子在CuCu中产生更早，而在AuAu中产生更晚，且在火球更早期、更涡旋的阶段中经历更高的平均涡度。
• $\Lambda$超子极化信号为涡度的一阶效应，对产生时间相对于峰值涡度的时机极为敏感。
• $\phi$介子极化信号虽较小，但也表现出相似的层级关系（CuCu $>$ CuAu $>$ AuAu），其量级在$2\sim5\times10^{-3}$量级，源于二阶涡旋修正。
• 结果表明，CuCu和CuAu碰撞为验证AuAu碰撞中观测到的全局超子极化的旋转起源提供了一个清晰且独立的实验平台。