HIC-HIP Post QM 研究会
2019/12/22 @ 名古屋大学

ソフト、小さい系から
平野 哲文(上智大学)

Disclaimer:• 大きくバイアスのかかった選択• 自分（のグループ）の研究に活かしたいネタ• 選択されなかったトピック≠重要でない1

高エネルギー原子核衝突の潮流
発見ステージ ~2005
精密化,新奇物理,…

RHICにおけるQGP発見のステージ

エネルギーフロンティア

小さい衝突系

様々な衝突系

LHCの最高衝突エネルギーにおけるQGP物理→ QGPの精密解析

LHCやRHICにおける集団的振る舞いの発見→ QGPはどれだけ小さくなれるか？

RHICビームエネルギースキャン
プラグラム(BES)→ QGP生成のオンセット？
→ 超高密度物質の探究（臨界点、相構造）

高エネルギー原子核衝突のダイナミクス
Hadronic observables

time

Hadron gas
Recombination
QGP
fluidcollision axis

0interaction

Fragmentation(Mini-)
jetsGlasmaGluon saturation

Soft sectorDilute parton gas
energy scale

Hard sector
3jettime

モデリングの一例

Hadronic transport
jethadron gas

Glasmacollision axis

0String
Recombination
fragmentation
modelHydrodynamics

QGP fluidGluon
saturation

Hadronic observableshydro+jetmodel

Jet quenching

Classical Yang-Mills

CGC

Soft sector

pQCD
energy scale

Hard sector 4

(Almost) full 3D Classical Yang-Mills
S.JeonJIMWLKの初期条件
𝑦 = ±4.25
See also, B.Schenke and S.Schlichting
PRC94, 044907(2019)

初めての3D IP-Glasma + MUSIC + UrQMD計算→ ソフトでは現状の最高到達点か？

5縦ダイナミクスにおける流体揺らぎの影響
A.Sakai−2.5 < 𝜂𝑝𝑎 < −2.0
2.0 < 𝜂𝑝𝑎 < 2.5
3.0 < 𝜂𝑝𝑏 < 4.0• 衝突反応を3次元的に精査• 流体揺らぎの重要性
を観測量を通して初めて定量的に示唆
6縦方向における初期形状と終期フローの関係
L.Yan

座標のラピディティξにおける形状の応答として擬ラピディティζでのフロー←流体の解から応答関数を導出※無次元kの収束半径が平均自由行程で決定？

7

事象平面角の揺らぎと主成分分析
Z.Chen (student lecture)

主成分分析 (α=1が最大固有値)
𝑉𝑛Δ 𝑝𝑇𝑎 , 𝑝𝑇𝑏 = ෍ 𝜆𝛼 𝜓 𝛼 ∗ 𝑝𝑇𝑎 𝜓 𝛼 (𝑝𝑇𝑏 )𝛼 ∗𝛼𝑎(𝑝𝑇 )𝑉𝑛 (𝑝𝑇𝑏 )

𝑝𝑇𝑎
𝑝𝑇𝑎

𝑉𝑛2𝑉𝑛

1= ෍ 𝑉𝑛

21 𝑉𝑛𝑟𝑛 ≈ 1 −2 𝑉1𝑛−

See also, R.S.Bhalerao et al., PRL114,152301 (2015)

𝑝𝑇𝑏
𝑝𝑇𝑏
82

Proof of Concept
M.Hippert• 主成分は他の揺らぎに対してロバスト• 事象平面、平均pTの揺らぎの影
響9

主成分分析による実験と流体の比較
F.Grassi• n=2,3は流体と実験は合う• n=0の主成分(α=1)が定性的に合わないことが知られている

多重度揺らぎOK
pTの揺らぎ？多重度とpTの共分散？
10

ベイズ推定法の最新結果
J.F.Paquet

PID粒子数、平均𝑝𝑇 , 𝑣 2,3,4

パラメータ(90% confidence)
モデル依存性に注意が必要• 初期フリーストリーミング• 流体は2D• 粒子化のモデル
11

実験結果から”有効”熱力学量の導出？
J.-Y.Ollitrault

実験

多重度
平均pT

流体計算

有効体積

有効温度
エントロピー密度*平均pT=3.07Teff12小さい系：To be QGP or not to be?
That is THE question!
RHIC
p+Au

d+Au

3He+AuLHC
p+pp+Pb

2003~2010: 原子核効果の指標測定→ cold nuclear matter (CNM) 効果
2010: CMSによる陽子+陽子衝突におけるリッジの発見
2010~today: QGP生成可否を含む新奇物理描像の構築
See also, 平野哲文、原子核研究62, 41 (2018)13

高エネルギー物理屋の見方
vs 重イオン衝突物理屋の見方
p+p physics

High multiplicity
p+p physics asinterdisciplinary
research

HEP (Generic purpose MC)• ジェットの普遍性• 𝑒 + + 𝑒 − 衝突における破砕関数→ p+p衝突への適用• 粒子比の多重度非依存性• 実験結果解釈における非摂動論的な現象論、模型の必要性

A+A physics

HIC (Dynamical modeling)• A+A衝突における動的模型の成功→ QGP流体パラダイム• A+A衝突の理解のp+p衝突におけるテスト• QGPは小さい衝突系で作られたか？
• QGP流体はどれだけ小さくなれるか？
14

“Do we really need a QGP ?”See also, C.Bierlich et al., PLB779, 58 (2018)

L.Lönnbladtransverse separation
between flux tubes

PYTHIA + String Shoving = Ridge and flow ← ppからの拡張

15

From AA to pp within hydroY.Kanakubo**Nuclear Physics A Elsevier Young Scientist Award• 大きい系から小さい系から統一的に• 動的コアーコロナ初期化• PYTHIA初期設定に対するアフターバーナー• AAからの拡張• ジェットも見据えた大描像
16

“One fluid may not rule them all”
Y.Zhou𝑣2 4 4 = 2 𝑣𝑛2 − 𝑣𝑛4 = −𝑐2 4
𝑣𝑛2 = 𝑣𝑛 2 + 𝜎𝑣2𝑛17

“Corrected” CGC results
J.Nagle• v2(p)>v2(d)>v2(3He)• v2(p)>v2(d)>v2(3He)

現状ではCGCのみでv2, v3を定性的にも定量的にも説明不可*See also, MSTV, PRL123,039901(E) (2019)18

12Cのαクラスター状態？
W.Broniowski• 重イオン衝突反応で12Cのクラスター状態を探れるか？
• 形起源のtriangular flowで見えるか？
• そもそも励起状態ではないのか？

「科研費：クラスター階層」の方々？
19Collision axis

TimeTime

衝突エネルギーの違い

Collision axis00

J-PARC-HI white paper• 保存量の拡散• 状態方程式の構築• 臨界現象の探索
20保存量の拡散１X.-Y. Wu

C.Shen• ストリングジャンクションとバリオン数拡散の拮抗• 正味陽子数分布の重要性大21• CP探索にも重要？

保存量の拡散２J.Fotakis• オンサーガー相反定理• 重イオン衝突でSoret効果（温度勾配による拡散）やDufour効果（化学ポテンシャル勾配による熱伝導）が見えるか？
See also, A.Monnai and TH, NPA847, 283 (2010);
M.Greif et al., PRL120, 242301 (2018)22

クロスオーバー線
J.Guenther (WB)

• Imaginary muからの解析接続• カイラル感受率のピーク位置
𝑇𝑐 (𝜇𝐵 )𝜇𝐵≈ 1 − 𝜅2𝑇𝑐 (0)𝑇𝑐 02− 𝜅4𝜇𝐵
𝑇𝑐 0

𝑇𝑐 0 ~158 MeV, 𝜅2 ~0.015, 𝜅4 ~0234

重イオン衝突反応(流体計算)用状態方程式
A.Monnai• 格子＋レゾナンスガス• ストレンジネス中性• アイソスピン• 公開中※𝜇𝐵 = 0でのHuovinen & Petreczkyとの違いは？
有限密度計算のスタンダードに
24

QCDと3D Isingのマッピング
D.TeaneySee also, Y.Akamatsu et al., PRC100, 044901 (2019)

See also, M.S.Pradeep and M.Stephanov, PRD100,056003 (2019)25

1次相転移によるドメイン形成
M.Kitazawa

臨界点ピンポイントではなく、その先の1次相転移線を通った場合• 相関関数にピークΔy~2• ピークの位置は何で決まる？
26

Y.Akamatsu

27

Backup28

Factorization ratio and event plane
decorrelation
Factorization ratio
𝑟𝑛 𝜂𝑝𝑎 , 𝜂𝑝𝑏=Aligned event plane angle

𝑉𝑛Δ −𝜂𝑝𝑎 , 𝜂𝑝𝑏𝑉𝑛Δ 𝜂𝑝𝑎 , 𝜂𝑝𝑏

𝑟2 = 1
Event plane angle decorrelation

𝑉𝑛Δ = cos 𝑛Δ𝜙𝑟2 < 1
F. G. Gardim, F. Grassi, M. Luzum, andJ.-Y. Ollitrault, Phys. Rev. C87, 031901 (2013),−2.5 < 𝜂𝑝𝑎 < −2.0
2.0 < 𝜂𝑝𝑎 < 2.5
3.0 < 𝜂𝑝𝑏 < 4.029

Correlations along collision axis
𝜏 = 0+𝑦𝑦𝑥
𝜂𝑠Heavy ion collision as a chromoelectric capacitor→ Approximately boost-invariant formation of color flux tubes→ Correlation embedded in wide rapidity region𝑥30

PeraltaRamos, Calzetta (2011), Kapusta, Muller, Stephanov (2011),
Moore, Kovtun, Romatschke (2011), Hirano, Murase (2013),
Young(2014), Akamatsu, Mazeliauskas, Teaney (2017)…

Hydrodynamic fluctuations

QGP fluid simulation in a box

Courtesy of K.Murase

Entropy

Fluctuation-Dissipation
relations

𝑆 = 𝑆0 + 𝛿𝑆 + 𝛿 2 𝑆 + ⋯<0State

Fluctuations aroundmaximum entropy state

Dissipative hydro(2nd Generation)

Fluctuating hydro(3rd Generation)

Dissipations → Fluctuations

31

Introduction
Lessons from Observational Cosmology
Analysis tool
CAMB, CMBFAST,
CosmoMC,…
Cosmic Microwave Background
Fluctuations of temperature (Planck)
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2013/04/Planck_CMB_black_backgroundCosmological parameters• Energy budget• Hubble constant (lifetime)• Curvature (flatness)• …

“Physical Cosmology”
James Peebles
The Novel prize in physics 201932

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/peebles/facts/

Analysis tool

Bottom-up approachin high-energy nuclear collisions?

Physics properties of the QGP• Equation of state• Shear viscosity• Bulk viscosity• Stopping power• …

Y.Zhou, talk at QM2018

Needfor high-energy nuclear collisions

33

A.SakaiCentrality dependence of event plane
decorrelation
Initial longitudinal fluctuations→ Insufficient to reduce r2
Both initial and hydrodynamic
fluctuations needed
PbPb 𝑠𝑁𝑁 = 2.76 TeV

New opportunity to constraintransport coefficients and initialconditions in rapidity space
34

Y.Tachibana, TH, (2014, 2016); M.Okai et al., (2017); Y.Kanakubo et al., (2018).

jettimeModel SOFT-HARD
jetGluonsaturation

Recombination
model
Ideal
hydrodynamics

collision axis0

hadronic
observables
Hadronic transport

hadron gas

QGP fluidGlasma

PYTHIA: T. Sjöstrand et al., Comput. Phys. Commun. 191, 159 (2015).
*Heavy ion mode available from ver.8.230

hydro+jetmodel

stringfragmentation

Parton energy
lossClassical Yang-Mills
CGC theory

Soft sector

PYTHIA (Heavy Ion)
energy scale

Hard sector
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Cutoff parameter dependence

𝜆0 fm(Mesh size)

1.0 fm

2.0 fmK. Murase, Ph. D thesis, The Univ. of Tokyo (2015)