Observation of the centrality-dependent difference in directed flow between charged kaons and $K^{*0}$ resonances in Au+Au collisions at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}$ = 14.6, 19.6 and 27 GeV

Resumen Técnico: Dependencia de la Centralidad del Flujo Dirigido de Resonancias $K^{*0}$ frente a Kaones Cargados

Planteamiento del Problema
En colisiones de iones pesados de alta energía, la evolución del medio creado implica una transición de un plasma de quarks y gluones (QGP) desconfinado a una fase hadrónica. Los observables de flujo anisotrópico, particularmente el flujo dirigido con imparidad de rapidez ($v_1^{odd}$), son sensibles a la dinámica partónica de tiempo temprano, pero las resonancias de vida corta como el $K^{*0}$ (vida media $\sim 4$ fm/c) decaen dentro del denso medio hadrónico. Sus hijas de decaimiento ($K\pi$) están sujetas a re-dispersión (re-scattering) y regeneración, lo que puede alterar el rendimiento reconstruido y las señales de flujo. No está claro hasta qué punto el $v_1^{odd}$ medido de tales resonancias refleja una colectividad partónica genuina de etapa temprana frente a interacciones hadrónicas de etapa tardía y artefactos de reconstrucción. Específicamente, los modelos hidrodinámicos sugieren que las modificaciones asimétricas del rendimiento del $K^{*0}$ relativo al plano del evento, impulsadas por la re-dispersión en la etapa tardía, podrían distorsionar el flujo observado.

Metodología
La Colaboración STAR analizó colisiones Au+Au a energías de centro de masa $\sqrt{s_{NN}} = 14.6, 19.6,$ y $27$ GeV utilizando datos de ancho de banda mínimo (minimum-bias) del programa de Escaneo de Energía de Haz (BES-II). El conjunto de datos comprende aproximadamente 500, 900 y 400 millones de eventos para las respectivas energías.

• Reconstrucción de Partículas: Los mesones $K^{*0}$ ($\bar{K}^{*0}$) y $\phi$ fueron reconstruidos mediante sus canales de decaimiento hadrónico ($K^{*0} \to K^\pm \pi^\mp$ y $\phi \to K^+ K^-$) utilizando los detectores de Cámara de Proyección Temporal (TPC) y Tiempo de Vuelo (TOF). La identificación de partículas se basó en mediciones de $dE/dx$y$1/\beta$.
• Medición de Flujo: El flujo dirigido con imparidad de rapidez ($v_1^{odd}$) se calculó utilizando el método del plano del evento. El plano del evento de primer orden ($\Psi_{EP}^1$) se reconstruyó utilizando el Detector de Plano de Evento (EPD) que cubre $2.1 < |\eta| < 5.1$. La gran brecha de pseudorapidez entre el EPD y el TPC suprime las contribuciones de no-flujo (non-flow).
• Extracción de la Señal: El $v_1^{odd}$ se extrajo de la distribución de masa invariante de pares de carga opuesta. El rendimiento de la señal fue aislado mediante la sustracción de un fondo combinatorio estimado mediante un método de rotación de pares. El flujo de la señal se derivó ajustando el $v_1$ de la señal y el fondo combinados como una función de la masa invariante.
• Alcance del Análisis: Las mediciones se realizaron para kaones cargados, mesones $\phi$ y resonancias $K^{*0}$ a través de varias clases de centralidad (0–80%), con un enfoque en la pendiente del $v_1^{odd}$ vs. rapidez ($dv_1^{odd}/dy$) y el flujo integrado promedio $\langle v_1^{odd} \rangle$ como una función del número de nucleones participantes ($\langle N_{part} \rangle$).

Contribuciones Clave
Este trabajo presenta la primera medición del flujo dirigido con imparidad de rapidez ($v_1^{odd}$) para resonancias $K^{*0}$ en colisiones de iones pesados. Proporciona una comparación directa de los observables de flujo entre resonancias de vida corta ($K^{*0}$), mesones de vida larga ($\phi$) y kaones cargados estables a través de múltiples energías de colisión y centralidades.

Resultados

1. Dependencia de la Centralidad de la Pendiente: En colisiones periféricas (40–80%), la pendiente del $v_1^{odd}$ ($dv_1^{odd}/dy$) es negativa para todas las especies de partículas ($K^{*0}$, kaones cargados y $\phi$). Sin embargo, en colisiones de centralidad intermedia (10–40%), la pendiente del $K^{*0}$ se vuelve positiva, mientras que las pendientes para los kaones cargados y los mesones $\phi$ permanecen negativas.
2. Dependencia del Momento Transversal: Para colisiones de centralidad intermedia a $\sqrt{s_{NN}} = 19.6$ GeV, el $v_1^{odd}$ del $K^{*0}$ se vuelve positivo a bajo momento transversal ($p_T < 1$ GeV/c), mientras que permanece negativo para los mesones $\phi$ en la misma clase de centralidad.
3. Diferencia de Flujo Promedio: El flujo dirigido promedio $\langle v_1^{odd} \rangle$ para el $K^{*0}$ exhibe un cambio de signo de negativo a positivo a medida que las colisiones se vuelven más centrales. En contraste, el $\langle v_1^{odd} \rangle$ para los kaones cargados y el $\phi$ permanece negativo a través de todas las centralidades.
4. Comparación con Modelos: La diferencia en el $\langle v_1^{odd} \rangle$ entre el $K^{*0}$ y los kaones cargados aumenta con la centralidad. Al compararlo con cálculos hidrodinámicos:
   • Los modelos sin un "afterburner" hadrónico predicen una diferencia cercana a cero.
   • Los modelos que incorporan un afterburner hadrónico (UrQMD) reproducen una diferencia positiva, aunque la magnitud es ligeramente más débil que los datos experimentales en colisiones centrales.
   • Los datos excluyen el escenario de "sin efectos de dispersión hadrónica" con un nivel de confianza del 99.4% cuando se integra sobre la centralidad 0–80%.

Significancia
El artículo concluye que la diferencia observada en la dependencia de la centralidad del flujo dirigido entre los kaones cargados y las resonancias $K^{*0}$ es probablemente impulsada por la re-dispersión hadrónica de etapa tardía. Específicamente, la re-dispersión de las hijas de decaimiento del $K^{*0}$ en el denso medio hadrónico conduce a una modificación asimétrica del rendimiento reconstruido del $K^{*0}$ relativo al plano del evento de primer orden. Este hallazgo destaca que el flujo dirigido de resonancias de vida corta es una sonda sensible de la fase hadrónica y demuestra que los "afterburners" realistas de dispersión hadrónica son esenciales para interpretar de manera confiable los observables de flujo colectivo en términos de colectividad partónica. Los resultados desafían la interpretación del $v_1^{odd}$ en resonancias de vida corta como una firma pura de la dinámica de etapa temprana sin considerar las interacciones de etapa tardía.