Dipolar flow of identified hadrons at mid-rapidity using transport models

Résumé technique : Flux dipolaire des hadrons identifiés à la rapidité intermédiaire à l'aide de modèles de transport

Énoncé du problème
L'étude du comportement collectif dans les collisions d'ions lourds relativistes offre des perspectives critiques sur les propriétés de la matière à interaction forte. Bien que les coefficients de flux anisotrope ($v_n$) soient des outils établis pour sonder la géométrie initiale et les propriétés de transport, le coefficient de flux dirigé ($v_1$) est particulièrement sensible à la dynamique initiale. Traditionnellement, le $v_1$ est dominé par une composante impaire en rapidité issue d'une déflexion latérale collective. Cependant, les fluctuations de l'état initial peuvent induire des asymétries de type dipolaire, générant une composante paire en rapidité ($v_1^{even}$). Des études hydrodynamiques récentes suggèrent que le $v_1^{even}$ pour les hadrons identifiés pourrait servir de sonde sensible pour l'arrêt des baryons et leur diffusion en rapidité. Cet article traite de la nécessité d'étudier ces effets à l'aide de modèles basés sur le transport afin de comprendre les mécanismes sous-jacents du transport de baryons et de la dynamique partonique.

Méthodologie
Les auteurs emploient deux modèles de transport largement utilisés pour simuler des collisions Au+Au aux énergies de centre de masse ($\sqrt{s_{NN}}$) de 27, 62,4 et 200 GeV :

1. HIJING (Heavy Ion Jet INteraction Generator) : Utilisé principalement pour quantifier les contributions de non-flux. Il incorpore la QCD perturbative, la production de minijets et la fragmentation de cordes, mais ne possède pas de mécanismes pour générer un flux collectif.
2. AMPT (A Multi-Phase Transport Model) : Utilisé comme outil principal pour l'étude du comportement collectif. L'étude compare deux configurations :
   • AMPT-Default : Les minijets partoniques subissent des diffusions avant d'hadroniser via la fragmentation de cordes de Lund.
   • AMPT-String Melting (AMPT-SM) : Suppose qu'à des densités d'énergie élevée ($>1$ GeV/fm³), les cordes fondent en quarks constitutifs et antiquarks. Ces partons subissent une cascade partonique (ZPC) et hadronisent ensuite par coalescence de quarks.

Méthode d'analyse
La composante paire en rapidité du flux dirigé ($v_1^{even}$) est extraite à l'aide de corrélations de deux particules dans l'angle azimutal relatif ($\Delta\phi$). L'analyse implique :

• Le calcul des coefficients de Fourier à deux particules ($v_{11}$) à partir de la fonction de corrélation $C_r(\Delta\phi)$, définie comme le rapport des distributions de paires d'événements identiques et d'événements mélangés.
• L'application d'un écart de pseudo-rapidité ($|\Delta\eta| \geq 0,7$) pour supprimer les effets de non-flux tels que les désintégrations de résonances et les jets.
• L'extraction du $v_1$ via un ajustement simultané de $v_{11}$ en fonction de l'impulsion transverse ($p_T$) pour différentes sélections de particules, en utilisant une équation qui tient compte des corrélations de non-flux induites par la conservation globale de la quantité de mouvement.
• Puisque l'analyse est effectuée dans une acceptation symétrique en rapidité ($|y| < 1,0$), le $v_1$ extrait correspond effectivement à la composante paire en rapidité ($v_1^{even}$), car la composante impaire en rapidité s'annule par moyenne.

Résultats clés

1. Validation du non-flux : Les comparaisons avec le modèle HIJING confirment que le $v_1^{even}$ est cohérent avec zéro dans les incertitudes statistiques, indiquant que les valeurs non nulles résiduelles dans AMPT proviennent du flux collectif plutôt que d'artéfacts de non-flux.
2. Dépendance selon l'espèce de particule : À $\sqrt{s_{NN}} = 200$ GeV, aucune différence significative n'est observée entre les particules et les anti-particules pour les hadrons identifiés ($\pi, K, p$). Cependant, lorsque l'énergie du faisceau diminue à 27 GeV, une séparation se développe entre les protons et les anti-protons dans le $v_1^{even}$. En revanche, les mésons ($\pi^{\pm}$ et $K^{\pm}$) ne montrent aucune différence significative particule-antiparticule sur toute la gamme d'énergie.
3. Dépendance à la configuration du modèle : La séparation proton-anti-proton est observée exclusivement dans la configuration AMPT-String Melting (SM). Dans la configuration AMPT-Default, cette distinction est largement absente.
4. Dépendance à l'énergie : L'amplitude de la séparation $v_1^{even}$ proton-anti-proton augmente avec la diminution de l'énergie du faisceau.

Mécanisme et interprétation
Le document attribue la séparation observée au transport de baryons et à la dynamique partonique initiale. Dans le scénario AMPT-SM, les quarks transportés provenant des noyaux incidents atteignent la rapidité intermédiaire et subissent une diffusion partonique substantielle avant d'hadroniser par coalescence. Les protons formés à partir de ces quarks transportés développent un profil de flux différent de celui des anti-protons, qui sont principalement formés à partir de nouveaux quarks produits. Le modèle AMPT-Default, qui conserve les cordes pendant l'évolution partonique et limite la phase partonique, ne facilite pas un transport de baryons suffisant pour générer cette séparation. De plus, les distributions de rapidité des neutrons nets dans AMPT-SM montrent des changements marqués à des énergies plus basses par rapport aux hautes énergies, reflétant un arrêt de baryons plus fort, tandis que le modèle Default montre des changements relativement faibles.

Signification
L'étude conclut que la différence proton-anti-proton dans le $v_1^{even}$ est une sonde sensible de l'arrêt des baryons et de l'évolution du milieu partonique. Les résultats soulignent le potentiel des mesures de $v_1^{even}$ pour les particules identifiées lors du programme de balayage de l'énergie de faisceau (Beam Energy Scan) de RHIC pour contraindre la physique du transport et du dépôt de baryons à la rapidité intermédiaire. Les conclusions suggèrent que le scénario de fusion de cordes (string melting), où les interactions partoniques et la coalescence de quarks dominent, est essentiel pour reproduire les effets de transport de baryons observés.