[论文解读] Study the early stage of heavy ion collisions with direct photons

Fuming Liu|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2012

High-Energy Particle Collisions Research被引用 1

一句话总结

本研究利用LHC和RHIC中Pb+Pb与Au+Au碰撞的直接光子数据，通过(3+1)维理想流体动力学探测重离子碰撞的早期阶段。结果表明，直接光子充当计时器，揭示了约1/3 fm/c的热化过程和约1.5 fm/c的化学平衡过程，解释了其较大的椭圆流，并预测了更高阶的流形 $v_3$、$v_4$ 和 $v_5$，作为对竞争性光子源的检验。

ABSTRACT

We investigated the information carried by the data of direct photons, ie, the transverse momentum spectrum and the elliptic flow $v_{2}$ from Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}}$=2.76TeV measured at Large Hadron Collider (LHC) and from Au+Au collisions at $\sqrt{s_{NN}}$= 200 GeV measured at Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), in the frame work of (3+1)-dimensional ideal hydrodynamical models constrained with hadronic data. We found those direct photon data may serve as a useful clock at the early stage of heavy ion collisions. The time scales of reaching thermal and chemical equilibrium, extracted from those data, are about 1/3 and 1.5 fm/c, respectively. Thus the large elliptic flow of direct photons is explainable. High order harmonics, ie, $v_3$, $v_4$ and $v_5$, of direct photons from Pb+Pb collisions at 2.76TeV are also predicted, as a further test to compete with those who claim new sources of photons to account for the large elliptic flow of direct photons.

研究动机与目标

• 利用直接光子可观测量研究重离子碰撞的早期动力学行为。
• 基于直接光子谱和流观测量，确定夸克-胶子等离子体中热平衡与化学平衡的时标。
• 检验理想流体动力学在描述直接光子产生与流行为方面的有效性。
• 基于流体动力学框架，预测更高阶的光子流形 $v_3$、$v_4$、$v_5$，作为区分新光子源的判据。

提出的方法

• 采用受强子数据约束的(3+1)维理想流体动力学模型，模拟重离子碰撞过程。
• 以Pb+Pb（2.76 TeV）和Au+Au（200 GeV）碰撞中直接光子的横向动量谱与椭圆流（$v_2$）作为输入数据。
• 通过将流体动力学模型拟合实验数据，提取平衡建立的时间尺度。
• 基于流体动力学框架，预测直接光子的更高阶流形 $v_3$、$v_4$、$v_5$。
• 将预测结果与现有数据及新光子源理论假设进行对比，以检验模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 直接光子数据揭示的重离子碰撞早期阶段热化过程的时间尺度是多少？
• RQ2 根据直接光子可观测量，夸克-胶子等离子体中化学平衡在何时建立？
• RQ3 在理想流体动力学框架下，能否一致地解释直接光子较大的椭圆流（$v_2$）？
• RQ4 在2.76 TeV的Pb+Pb碰撞中，直接光子的更高阶流形 $v_3$、$v_4$、$v_5$ 的预测值是多少？
• RQ5 这些预测如何作为区分替代模型中提出的新型直接光子源的检验手段？

主要发现

• 从直接光子数据中提取的热化时间尺度约为1/3 fm/c。
• 化学平衡的时间尺度估计为约1.5 fm/c。
• 直接光子较大的椭圆流（$v_2$）可被包含提取平衡时间的理想流体动力学模型一致解释。
• 该模型预测在2.76 TeV的Pb+Pb碰撞中，直接光子具有显著的更高阶流形：$v_3$、$v_4$ 和 $v_5$。
• 这些预测的更高阶流形为区分标准流体动力学源与新提出的直接光子源提供了定量检验手段。