胶子等离子体的新模型解决了理论与数据之间长期存在的差异

基础科学研究表明，夸克-胶子等离子体(QGP)(一种新发现的物质状态)的存在是早期宇宙的组成部分。众所周知，QGP在大爆炸后一微秒就已经存在，本质上是夸克和胶子的汤，随着时间的推移冷却下来，形成像质子和中子这样的强子——所有物质的基石。

重现QGP存在时普遍存在的极端条件的一种方法是通过相对论重离子碰撞。在这方面，大型强子对撞机(LHC)和相对论重离子对撞机等粒子加速器设施通过与此类碰撞相关的实验数据进一步加深了我们对QGP的理解。

同时，理论物理学家采用多级相对论流体动力学模型来解释数据，因为QGP的行为非常像完美流体。然而，这些模型与低横向动量区域的数据之间存在严重的分歧，传统模型和混合模型都无法解释实验中观察到的粒子产率。

在此背景下，由上智大学理论物理学家TetsufumiHirano教授领导的一组日本研究人员进行了一项调查，以解释相对论流体动力学模型中缺失的粒子产量。

在他们最近的工作中，他们提出了一种新颖的“动态核心-日冕初始化框架”来全面描述高能核碰撞。他们的研究结果发表在PhysicalReviewC杂志上，上智大学博士生YuukaKanakubo博士(现任职：芬兰于韦斯屈莱大学博士后研究员)和秋田国际大学助理教授YasukiTachibana做出了贡献，日本。

“为了找到一种机制来解释理论模型和实验数据之间的差异，我们使用了动态核心-日冕初始化(DCCI2)框架，其中使用两个组件描述了高能核碰撞过程中产生的粒子：核心，或平衡物质，以及电晕或非平衡物质，”平野教授解释道。“这张照片使我们能够检查核心和日冕成分对低横向动量区域强子产生的贡献。”

研究人员在PYTHIA(一种计算机模拟程序)上以2.76TeV的能量进行了重离子Pb-Pb碰撞模拟，以测试他们的DCCI2框架。QGP流体的动态初始化允许核心和日冕成分的分离，这些成分分别通过“切换超表面”和“弦碎片”进行强子化。然后对这些强子进行共振衰变以获得横向动量(pT)谱。

“我们关闭了强子散射，只进行了共振衰减，以观察总产量分解为核心和日冕成分的情况，因为强子散射在反应后期将这两种成分混合在一起，”Kanakubo博士解释说。

然后，研究人员研究了带电介子、带电介子、质子和反质子在2.76TeV碰撞的pT光谱中核心和日冕成分的比例。接下来，他们将这些光谱与从实验数据(来自大型强子对撞机的ALICE探测器，用于2.76TeV的Pb-Pb碰撞)获得的光谱进行比较，以量化电晕成分的贡献。最后，他们研究了电晕成分对流量变量的影响。

他们发现，对于0-5%和40-60%中心性类别，光谱区域中电晕贡献的相对增加约为1GeV。虽然这对所有强子都是如此，但他们发现在极低pT(≈0GeV)区域的质子和反质子光谱中，近50%的电晕对粒子产生有贡献。

此外，与仅比较具有强子散射的核心组件(忽略日冕组件)相比，完整DCCI2模拟的结果与ALICE实验数据更加一致。发现电晕贡献负责稀释纯粹从核心贡献获得的四粒子累积量(可观察到的流动)，表明具有电晕贡献的粒子排列更多。

“这些发现表明，非平衡电晕成分有助于在非常低的横向光谱区域产生粒子，”平野教授说。“这解释了流体动力学模型中缺失的产量，该模型仅从实验数据中提取平衡的核心成分。这清楚地表明，有必要提取非平衡的成分以及更准确地了解QGP的特性。”