[论文解读] Thermal photon production from gluon fusion induced by magnetic fields in relativistic heavy-ion collisions

Alejandro Ayala, Jorge David Castaño‐Yepes+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2016

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 18被引用 6

一句话总结

本文提出，在相对论性重离子碰撞的早期阶段，强烈的磁场通过胶子融合过程诱导了热光子的产生。利用考虑磁场中夸克传播子的微扰QCD方法，作者计算出的光子产额与 $ (eB)^2/T $ 成正比，当使用合理的参数值 $ T \approx 300-350\,\text{MeV} $，$ eB \sim 10^4\,\text{MeV}^2 $，以及 $ g=1 $ 时，与RHIC和LHC实验观测到的多余光子数据表现出极好的一致性，支持了磁场诱导过程作为观测到的光子过剩的来源。

ABSTRACT

We compute the production of thermal photons in relativistic heavy-ion collisions by gluon fusion in the presence of an intense magnetic field, and during the early stages of the reaction. This photon yield is an excess over calculations that do not consider magnetic field effects. We add this excess to recent hydrodynamic calculations that are close to describing the experimental transverse momentum distribution in RHIC and LHC. We then show that with reasonable values for the temperature, magnetic field strength, and strong coupling constant, our results provide a very good description of such excess. These results support the idea that the origin of at least some of the photon excess observed in heavy-ion experiments may arise from magnetic field induced processes.

研究动机与目标

• 探究在相对论性重离子碰撞早期阶段存在的强磁场是否能诱导超出标准流体动力学模型的额外热光子产生。
• 量化在强磁场存在下胶子融合对低横动量光子谱观测到的过剩的贡献。
• 确定磁场诱导的光子发射在多大程度上可以解释实验数据与流体动力学计算在低 $ p_T $ 区域的差异。
• 评估磁场在产生光子产额过剩和观测到的光子方位分布中较大的 $ v_2 $ 系数中的作用。

提出的方法

• 作者利用费曼图计算了在背景磁场中通过胶子融合产生热光子的 amplitude，其中夸克传播子受到磁场的修正。
• 采用施温格正则时间形式表达恒定磁场中的夸克传播子，包含朗道能级和场依赖的相位因子。
• 计算中包含两种轻夸克味，电荷分别为 $ q_u = 2|e|/3 $，$ q_d = |e|/3 $，并采用对称规范表示矢量势。
• 最终的光子产额由矩阵元平方取平均（考虑初始自旋和颜色），并在包含胶子热分布的相空间中进行积分得到。
• 结果以归一化的横动量分布 $ dN/(2\pi N r_t dr_t) $ 形式表达，其依赖于 $ T $、$ eB $ 和耦合常数 $ g $，由于胶子热质量的影响，表现出非平凡的 $ 1/T $ 依赖性。
• 通过将该结果作为额外贡献加入一个已能描述基线光子谱的近期流体动力学模型，将模型结果与实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁场诱导的胶子融合过程是否能够解释重离子碰撞中低横动量区域观测到的热光子产额过剩？
• RQ2 在碰撞早期强磁场中，胶子融合产生的光子产额的大小及其与 $ p_T $ 的依赖关系如何？
• RQ3 在此机制中，光子产额如何随温度、磁场强度和耦合常数变化？
• RQ4 该机制在多大程度上可以解释光子方位分布中观测到的较大 $ v_2 $ 系数？

主要发现

• 在磁场中通过胶子融合计算出的光子产额与 $ (eB)^2/T $ 成正比，由于分母中胶子热质量的存在，表现出非平凡的 $ 1/T $ 依赖性。
• 当使用 $ T = 300\,\text{MeV} $（RHIC）和 $ T = 350\,\text{MeV} $（LHC）时，该模型计算出的光子产额与RHIC（0–20%和20–40%中心度）和LHC（20–40%中心度）实验观测到的多余光子数据高度一致。
• 对于LHC 20–40%中心度数据，模型结果略高于实验数据，这可能是由于用于定义多余部分的参考流体动力学模型本身存在轻微高估。
• 结果对强耦合常数 $ g $ 的依赖性很弱，$ g=1 $ 在两种对撞能量下均能提供良好拟合。
• 产额与反应的空间-时间区域无关，但通过磁场强度 $ eB $ 依赖于碰撞参数（即中心度），因为 $ eB $ 随中心度变化。
• 该研究支持如下假设：至少部分观测到的重离子碰撞中光子过剩起源于碰撞早期高温高密阶段的磁场诱导过程。