[论文解读] Transverse Energy Measurement and Fluctuation Studies in Ultra-Relativistic Heavy Ion Collisions

R. Sahoo|ArXiv.org|Apr 10, 2008

High-Energy Particle Collisions Research被引用 5

一句话总结

本论文研究了从AGS到RHIC能量范围的超相对论性重离子碰撞中的横向能量与涨落测量，发现 $ dE_T/d\bar{\eta} / dN_{ch}/d\bar{\eta} $ 比值在不同能量下几乎恒定，表明横向能量增加主要源于粒子多重数的提升。流体动力学模型与能量密度估算表明形成了致密且达到热平衡的夸克-胶子等离子体，基于 $ dE_T/d\bar{\eta} $ 与 $ dN_{ch}/d\bar{\eta} $ 对每对参与核子的对数标度，预测了LHC能量下的结果。

ABSTRACT

Transverse energy ($E_T$) has been measured with both of it's components, namely hadronic ($E_T^{had}$) and electromagnetic ($E_T^{em}$) at mid-rapidity, for 62.4 GeV Au+Au collisions by the STAR experiment. In the common phase space of TPC and BEMC ($0 < η< 1$ and full $ϕ$), we have obtained $E_T^{had}$ from the TPC reconstructed tracks and $E_T^{em}$ from the BEMC tower hits after correcting for the hadronic contaminations in the calorimeter. The centrality behavior of $/(0.5 N_{part})$ and the excitation function of $/(0.5 N_{part})$ has been compared with the final state gluon saturation model (EKRT) along with similar measurements from SPS to RHIC. The most striking feature is the observation of a nearly constant value of $E_T/N_{ch} \sim 0.8$ GeV from AGS, SPS to RHIC. The $E_T$ and $N_{ch}$ production has been observed to follow a logarithmic behavior. The initial energy density estimated by the boost-invariant Bjorken hydrodynamic model, is well above the lattice QCD value for a deconfined matter of Quarks and Gluons. Taking similar colliding species i.e. Au+Au, the $ε_{Bj} .τ$ has been predicted for LHC, based on the measurements at RHIC. We have also made predictions for $(dE_T/dη)/(0.5 N_{part})$ and $(dN_{ch}/dη)/(0.5 N_{part})$ for the LHC energy. Furthermore, we have studied the event-by event fluctuations in $E_T$ and in the ratio of it's components using $σ/μ$ as the fluctuation observable.

研究动机与目标

• 测量从AGS到RHIC能量范围内超相对论性重离子碰撞中的横向能量 $ E_T $ 及其涨落。
• 研究 $ E_T $ 与粒子多重数的中心度与能量依赖性，及其比值。
• 通过流体动力学建模与能量密度估算，评估致密且达到热平衡的夸克-胶子等离子体的形成。
• 利用AGS到RHIC数据外推，预测LHC能量下的横向能量与带电粒子多重数。
• 评估 $ E_T $ 的电磁成分及其对长寿命禁闭相等离子体的潜在影响。

提出的方法

• 利用RHIC的STAR实验数据，测量在 $ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV 下最中央的5%事件中 $ dE_T/d\bar{\eta} $ 与 $ dN_{ch}/d\bar{\eta} $。
• 计算比值 $ \frac{dE_T/d\bar{\eta}}{dN_{ch}/d\bar{\eta}} $，并分析其能量与中心度依赖性。
• 应用双曲不变的Bjorken流体动力学模型估算初始能量密度 $ \rho_{\text{Bj}} \tau $，在RHIC处得到 $ 3.65 \pm 0.39~\text{GeV}/\text{fm}^3 $。
• 利用每对参与核子的 $ dE_T/d\bar{\eta} $ 与 $ dN_{ch}/d\bar{\eta} $ 的对数标度，外推至LHC能量。
• 在最中央的5%事件中，使用 $ \sigma/\mu $ 测量事件间涨落，针对 $ E_T $、$ E_T^{em}/E_T^{had} $ 与 $ E_T^{em}/E_T $。
• 将结果与EKRT胶子饱和模型及流体动力学预测进行比较，评估其与夸克-胶子等离子体形成的符合程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在重离子碰撞中，比值 $ dE_T/d\bar{\eta} / dN_{ch}/d\bar{\eta} $ 如何随质心系能量与中心度变化？
• RQ2 在 $ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV 的中心Au+Au碰撞中，所形成系统的初始能量密度是多少？其与格点QCD预测相比如何？
• RQ3 横向能量的电磁成分是否表现出中心度或能量依赖性，从而可能指示长寿命禁闭相等离子体的存在？
• RQ4 在多大程度上，$ dE_T/d\bar{\eta} $ 与 $ dN_{ch}/d\bar{\eta} $ 随 $ \sqrt{s_{NN}} $ 呈对数标度，从而支持可靠的LHC外推？
• RQ5 事件间涨落 $ E_T $、$ E_T^{em}/E_T^{had} $ 与 $ E_T^{em}/E_T $ 如何随碰撞中心度变化？

主要发现

• 从AGS到RHIC，比值 $ \langle dE_T/d\eta \rangle / \langle dN_{ch}/d\eta \rangle = 866 \pm 122 $ MeV 几乎恒定，表明 $ E_T $ 增加主要由多重数增长驱动。
• 在 $ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV 时，每对参与核子的横向能量为 $ \langle dE_T/d\eta \rangle / (0.5N_{\text{part}}) = 2.73 \pm 0.29 $ GeV。
• 通过Bjorken模型估算的初始能量密度为 $ 3.65 \pm 0.39~\text{GeV}/\text{fm}^3 $，超出禁闭相变阈值的50至100倍。
• 在最中央的5%事件中，$ E_T $ 的电磁成分为 $ 0.318 \pm 0.036 $，无显著中心度依赖性，不支持长寿命等离子体占主导。
• 在最中央的5%碰撞中，$ E_T $ 的涨落为 $ 8.4\% $，并向外围事件增加。
• 在 $ \sqrt{s_{NN}} = 62.4 $ GeV 的最中央5%事件中，$ E_T^{em}/E_T^{had} $ 与 $ E_T^{em}/E_T $ 的涨落分别为 $ 14.4\% $ 与 $ 9.74\% $。
• 基于对数标度，预测LHC处的 $ dN_{ch}/d\eta $ 与 $ dE_T/d\eta $ 分别为 $ \sim(6.53 \pm 0.45) \times (0.5N_{\text{part}}) $ 与 $ \sim(6.03 \pm 0.11) \times (0.5N_{\text{part}}) $。