[论文解读] Thermal and hard scales in transverse momentum distributions, fluctuations and entanglement

Xabier Feal, C. Pajares+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2020

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 52被引用 12

一句话总结

该论文提出，在高能碰撞中，有效热温度源于硬尺度（紫外截断）及其涨落之间的相互作用，统一了pp、pPb、XeXe和PbPb体系中的横向动量谱。研究发现一个普遍的线性关系 Tth ≈ Th/(k+1)，其中k为幂律衰减参数，在不同能量和中心度下均表现出极佳的一致性，表明纠缠与退火动力学在小体系与大体系中均主导热化过程。

ABSTRACT

We analyze the transverse momentum distributions of pp, pPb, XeXe and PbPb collisions at different RHIC and LHC energies and centralities as well as the corresponding distributions for Higgs production decaying into $\gamma\gamma$ and 4l. A simple linear relation is found between the effective thermal temperature and the hard scale, approximately valid for all processes and mainly determined by the hard scale fluctuations. In order to go further, it is shown that the whole spectrum of pp collisions can be described by a single function showing that the thermal temperature is determined solely by the hard scale and its fluctuations. The possible relation between the multiplicities of the soft and hard scales is explored.

研究动机与目标

• 理解小体系（如pp碰撞）中表观热行为的起源，其中流体动力学解释存在疑问。
• 探索有效热温度Tth与不同碰撞体系中硬尺度Th之间的关联。
• 检验热谱是否源于量子场中纠缠与退火动力学。
• 在不同能量与中心度下，建立Tth与退火硬尺度Th/(k+1)之间的普遍关系。
• 研究部分子数目涨落对确定有效温度的作用。

提出的方法

• 使用指数与幂律函数的组合拟合横动量分布（TMDs）：dN/dp⊥ ∝ A_te^{-m⊥/Tth} + A_h(1 + m⊥^2/kT_h^2)^{-k}。
• 从RHIC与LHC的pp、pPb、XeXe、PbPb以及Higgs粒子衰变数据中提取Tth、Th与k。
• 分析不同碰撞能量与多重性下Tth与退火硬尺度Th/(k+1)之间的关系。
• 采用纠缠形式：初始态 |Ψ⟩ = Σn αn |ΨH_n⟩ ⊗ |ΨS_n⟩ 导致约化密度矩阵 ρH = Σn |αn|2 |ΨH_n⟩⟨ΨH_n|，其中 |αn|2 = pn 表示部分子数目涨落。
• 将快速退火建模为在τ ∼ 1/p⊥时刻形成高度激发态，其有效温度Tth由Th及其涨落决定。
• 在不同体系间比较结果，以检验Tth ≈ Th/(k+1)关系的普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高能碰撞中的有效热温度Tth是否普遍与硬尺度Th及其涨落相关？
• RQ2 关系式Tth ≈ Th/(k+1)是否在不同体系（pp、pPb、XeXe、PbPb）与能量下均成立？
• RQ3 能否基于Th及其涨落，用单一函数描述整个pp横动量谱？
• RQ4 部分子数目涨落（pn）如何影响观测到的热行为？
• RQ5 小体系中观测到的热化是否由量子场论中的纠缠与退火动力学解释？

主要发现

• 在所有能量与中心度下，pp、pPb、XeXe与PbPb碰撞中均发现普遍关系Tth ≈ Th/(k+1)，仅在极低多重性pp事件中存在微小偏差。
• 在√s = 13 TeV的pp碰撞中，Tth = 0.181 GeV，Th/(k+1) = 0.181 GeV，显示完全一致。
• 在√s = 5.02 TeV的pPb碰撞中，Tth = 0.156 GeV，Th/(k+1) = 0.156 GeV，验证了该关系。
• 对于Higgs粒子衰变为γγ与4l过程，Tth = 3.5 ± 0.7 GeV，Th/(k+1) = 3.1 ± 0.4 GeV，结果在不确定度范围内一致。
• 有效温度Tth仅由硬尺度Th与部分子数目的归一化涨落决定，与纠缠退火模型的预测完全一致。
• 从RHIC到LHC能量的整个pp p⊥谱，均可由基于Th及其涨落的单一普遍函数精确描述。