[论文解读] The mean transverse momentum of ultracentral heavy-ion collisions: A new probe of hydrodynamics

Fernando G. Gardim, Giuliano Giacalone+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

High-Energy Particle Collisions Research被引用 2

一句话总结

本文提出，在固定体积下熵密度上升的条件下，超中央Pb+Pb碰撞中带电强子的平均横动量⟨pt⟩会随之增加，从而为夸克-胶子等离子体中的声速平方c²s提供一种新的流体动力学探针。利用格点QCD得到的c²s值以及事件间粒子多重数涨落数据，作者预测在√sNN = 5.02 TeV下，从1%到0.001%的碰撞截面中，⟨pt⟩将上升约18 MeV，为流体动力学行为提供一种无需模型依赖的检验方法。

ABSTRACT

We predict that the mean transverse momentum of charged hadrons $\langle p_t angle$ rises as a function of the charged-particle multiplicity in ultracentral nucleus-nucleus collisions. We explain that this phenomenon has a simple physical origin and represents an unambiguous prediction of the hydrodynamic framework of heavy-ion collisions. We argue that the relative increase of $\langle p_t angle$ is proportional to the speed of sound squared $c_s^2$ of the quark-gluon plasma. Based on the value of $c_s^2$ from lattice QCD, we expect $\langle p_t angle$ to increase by approximately $18$ MeV between 1\% and 0.001\% centrality in Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}=5.02$ TeV.

研究动机与目标

• 提出将⟨pt⟩作为超中央重离子碰撞中流体动力学行为的一种新型、无需模型依赖的探针。
• 解释⟨pt⟩的上升是由于在最中央碰撞中固定体积下熵密度增加的直接结果。
• 证明⟨pt⟩的相对增加量与夸克-胶子等离子体中声速平方c²s成正比。
• 利用事件间多重数涨落和格点QCD输入，对⟨pt⟩的上升提供定量、无参数的预测。
• 使实验上可通过⟨pt⟩-多重数关联提取c²s，而无需依赖各向异性流测量。

提出的方法

• 使用TRENTo蒙特卡洛模型模拟√sNN = 5.02 TeV下Pb+Pb碰撞的初始熵密度分布。
• 通过事件间带电粒子多重数Nch定义碰撞的中心度，将其视为总熵S的代理变量。
• 在S分布中识别出一个“拐点”（knee），位于Sknee ≈ 17,554处，将由碰撞参数驱动的事件（左侧）与由涨落驱动的事件（右侧）分离开来。
• 利用贝叶斯推断，推导出固定S下平均初始半径R和熵密度s的函数，以估计⟨¯S|S⟩，即给定S时的平均碰撞参数。
• 应用热力学关系c²s = d ln T / d ln s，并假设⟨pt⟩ ∝ T，从而得出⟨pt⟩ ∝ (S / ⟨¯S|S⟩)^c²s。
• 利用ALICE实验中V0幅度（Nch的代理变量）数据校准模型，拟合得到Sknee = 33,800和σ = 1,140，用于多重数分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在固定体积下，熵密度涨落是否导致超中央重离子碰撞中⟨pt⟩上升？
• RQ2 ⟨pt⟩的上升是否可用于提取夸克-胶子等离子体中的声速c²s？
• RQ3 ⟨pt⟩-多重数关联是否为流体动力学行为的稳健、无需模型依赖的探针？
• RQ4 预测的⟨pt⟩上升与当前实验数据相比如何？实验数据显示在0–20%中心度范围内⟨pt⟩基本平坦。
• RQ5 多重数的统计涨落对⟨pt⟩可观测上升的影响程度如何？

主要发现

• 本文预测，在√sNN = 5.02 TeV的Pb+Pb碰撞中，从1%到0.001%的中心度范围内，⟨pt⟩将上升约18 MeV。
• 预测显示，从1%到0.1%中心度，⟨pt⟩上升8.4 MeV；从0.1%到0.01%，上升5.6 MeV；从0.01%到0.001%，上升4.1 MeV。
• 该预测基于格点QCD得到的c²s = 0.252，并假设⟨pt⟩ ∝ T，且在0–5%中心度范围内pt0 = 682 MeV。
• 该模型考虑了实验中心度常基于与⟨pt⟩不同的快度窗口定义这一事实，并估计由于统计（泊松）涨落，⟨pt⟩上升量将减少约10%。
• 该方法允许通过⟨pt⟩(Nch)的拟合实验提取c²s，为√sNN依赖性测量提供一种互补方法。
• 该预测对模型细节不敏感，仅依赖于事件间多重数与熵的成比例关系，预计在不同初始态模型（如IP-Glasma或EbyE EKRT）下均成立。