[论文解读] Sensitivity of Au+Au collisions to the symmetric nuclear matter equation of state at 2 -- 5 nuclear saturation densities

Dmytro Oliinychenko, Agnieszka Sorensen+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 6

一句话总结

本研究利用相对论重离子碰撞（Au+Au，1–20 GeV/核子）和强子输运模型，探测在重子密度为核饱和密度（n₀）2–4倍时对称核物质的方程态（EOS）。通过调节矢量平均场势以重现目标声速平方剖面，模型表明，STAR在√sNN = 3.0和4.5 GeV下的质子与π介子流数据在2–3n₀范围内约束EOS为刚性，并提示在3–4n₀范围内可能存在相变，但需进一步数据确认。

ABSTRACT

We demonstrate that proton and pion flow measurements in heavy-ion collisions at incident energies ranging from 1 to 20 GeV per nucleon in the fixed target frame can be used for an accurate determination of the symmetric nuclear matter equation of state at baryon densities equal 2--4 times nuclear saturation density $n_0$. We simulate Au+Au collisions at these energies using a hadronic transport model with an adjustable vector mean-field potential dependent on baryon density $n_B$. We show that the mean field can be parametrized to reproduce a given density-dependence of the speed of sound at zero temperature $c_s^2(n_B, T = 0)$, which we vary independently in multiple density intervals to probe the differential sensitivity of heavy-ion observables to the equation of state at these specific densities. Recent flow data from the STAR experiment at the center-of-mass energies $\sqrt{s_{NN}} = \{3.0, 4.5 \}\ $ GeV can be described by our model, and a Bayesian analysis of these data indicates a hard equation of state at $n_B \in (2,3) n_0$ and a possible phase transition at $n_B \in (3,4) n_0$. More data at $\sqrt{s_{NN}} = 2-5$ GeV, as well as a more thorough analysis of the model systematic uncertainties will be necessary for a more precise conclusion.

研究动机与目标

• 利用重离子碰撞中的实验流数据，确定高重子密度（2–4n₀）下对称核物质的方程态（EOS）。
• 评估质子与π介子流观测量对介质中不同密度区间内声速平方（cₛ²）的敏感性。
• 检验现有STAR在√sNN = 3.0和4.5 GeV下的数据是否能约束2–4n₀范围内的EOS并探测可能的相变。
• 评估模型不确定性，特别是来自截面缩放的影响，并量化其对EOS推断的影响。

提出的方法

• 采用基于SMASH的强子输运模型，在固定靶参考系中模拟1–20 GeV/核子的Au+Au碰撞。
• 调节矢量平均场势，使其在2–4n₀区间内重现目标密度依赖的声速平方（cₛ²(nB, T=0)）。
• 通过拟合STAR实验在√sNN = 3.0和4.5 GeV下测得的质子与π介子流数据（v₁和v₂）来约束模型参数。
• 对流数据应用贝叶斯推断，提取EOS参数的后验分布，特别是2–4n₀范围内的cₛ²。
• 测试截面缩放（0.6–1.4）带来的系统性不确定性，以估计推断cₛ²中的模型依赖误差。
• 通过cₛ² = (dP/dnB)/(dε/dnB)从EOS推导声速平方，其中压强和能量密度由模型的平均场与动能贡献计算得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1–20 GeV/核子的Au+Au碰撞中，质子与π介子流观测量是否能约束重子密度为核饱和密度2–4倍时的对称核物质方程态？
• RQ2 流观测量对不同密度区间（2–3n₀与3–4n₀）内声速平方（cₛ²）的敏感性如何？
• RQ3 STAR在√sNN = 3.0和4.5 GeV下的数据是否表明在2–4n₀范围内存在刚性方程态或可能的相变？
• RQ4 模型不确定性（特别是来自截面缩放）如何影响推断的EOS及其可信区间？

主要发现

• 在√sNN = 3.0和4.5 GeV下，STAR数据能被参数调优后的输运模型良好描述。
• 贝叶斯分析表明，在2–3n₀重子密度范围内EOS为刚性（cₛ²较高），与硬核介质一致。
• 在3–4n₀范围内，推断的cₛ²剖面中出现拐点或不连续性，提示可能存在相变。
• 截面缩放（0.6–1.4）带来的系统性不确定性，导致流观测量的变化与cₛ²变化约0.2量级相当，表明这是主要误差来源。
• 模型对流数据的良好再现能力支持将流观测量作为2–4n₀范围内高密度EOS探测手段。