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

Resumo Técnico: Dependência da Centralidade do Fluxo Direcionado de Ressonâncias $K^{*0}$ vs. Kaons Carregados

Definição do Problema
Em colisões de íons pesados de alta energia, a evolução do meio criado envolve uma transição de um plasma de quarks e glúons (QGP) desconfinado para uma fase hadrônica. Embora os observáveis de fluxo anisotrópico, particularmente o fluxo direcionado ímpar de rapidez ($v_1^{odd}$), sejam sensíveis à dinâmica partônica inicial, as ressonâncias de vida curta como o $K^{*0}$ (tempo de vida $\sim 4$ fm/c) decaem dentro do denso meio hadrônico. Seus produtos de decaimento ($K\pi$) estão sujeitos a re-espalhamento e regeneração, o que pode alterar o rendimento reconstruído e os sinais de fluxo. Permanece incerto até que ponto o $v_1^{odd}$ medido dessas ressonâncias reflete a coletividade partônica genuína do estágio inicial versus interações hadrônicas de estágio tardio e artefatos de reconstrução. Especificamente, modelos hidrodinâmicos sugerem que modificações assimétricas no rendimento do $K^{*0}$ em relação ao plano do evento, impulsionadas pelo re-espalhamento tardio, poderiam distorcer o fluxo observado.

Metodologia
A Colaboração STAR analisou colisões Au+Au em energias de centro de massa $\sqrt{s_{NN}} = 14,6, 19,6$ e $27$ GeV usando dados de ampla abrangência (minimum-bias) do programa Beam Energy Scan (BES-II). O conjunto de dados compreende aproximadamente 500, 900 e 400 milhões de eventos para as respectivas energias.

• Reconstrução de Partículas: $K^{*0}$ ($\bar{K}^{*0}$) e mésons $\phi$ foram reconstruídos via seus canais de decaimento hadrônico ($K^{*0} \to K^\pm \pi^\mp$ e $\phi \to K^+ K^-$) utilizando os detectores Time Projection Chamber (TPC) e Time-of-Flight (TOF). A identificação de partículas baseou-se em medições de $dE/dx$e$1/\beta$.
• Medição de Fluxo: O fluxo direcionado de rapidez ímpar ($v_1^{odd}$) foi calculado usando o método do plano do evento. O plano do evento de primeira ordem ($\Psi_{EP}^1$) foi reconstruído usando o detector Event Plane Detector (EPD, cobrindo $2,1 < |\eta| < 5,1$). O grande hiato de pseudorapidez entre o EPD e o TPC suprime contribuições de não-fluxo (non-flow).
• Extração de Sinal: O $v_1^{odd}$ foi extraído da distribuição de massa invariante de pares de cargas opostas. O rendimento do sinal foi isolado pela subtração de um fundo combinatório estimado via método de rotação de pares. O fluxo do sinal foi derivado ajustando o $v_1$ do sinal e do fundo como uma função da massa invariante.
• Escopo da Análise: As medições foram realizadas para kaons carregados, mésons $\phi$ e ressonâncias $K^{*0}$ através de várias classes de centralidade (0–80%), com foco na inclinação do $v_1^{odd}$ vs. rapidez ($dv_1^{odd}/dy$) e no fluxo integrado médio $\langle v_1^{odd} \rangle$ como uma função do número de nucleons participantes ($\langle N_{part} \rangle$).

Principais Contribuições
Este trabalho apresenta a primeira medição do fluxo direcionado de rapidez ímpar ($v_1^{odd}$) para ressonâncias $K^{*0}$ em colisões de íons pesados. Ele fornece uma comparação direta de observáveis de fluxo entre ressonâncias de vida curta ($K^{*0}$), mésons de vida longa ($\phi$) e kaons carregados estáveis através de múltiplas energias de colisão e centralidades.

Resultidos

1. Dependência da Centralidade da Inclinação: Em colisões periféricas (40–80%), a inclinação do $v_1^{odd}$ ($dv_1^{odd}/dy$) é negativa para todas as espécies de partículas ($K^{*0}$, kaons carregados e $\phi$). No entanto, em colisões de centralidade intermediária (10–40%), a inclinação do $K^{*0}$ torna-se positiva, enquanto as inclinações para kaons carregados e mésons $\phi$ permanecem negativas.
2. Dependência do Momento Transverso: Para colisões de centralidade intermediária em $\sqrt{s_{NN}} = 19,6$ GeV, o $v_1^{odd}$ do $K^{*0}$ torna-se positivo em baixo momento transverso ($p_T < 1$ GeV/c), ao passo que permanece negativo para mésons $\phi$ na mesma classe de centralidade.
3. Diferença de Fluxo Médio: O fluxo direcionado médio $\langle v_1^{odd} \rangle$ para $K^{*0}$ exibe uma mudança de sinal de negativo para positivo conforme as colisões se tornam mais centrais. Em contraste, o $\langle v_1^{odd} \rangle$ para kaons carregados e $\phi$ permanece negativo em todas as centralidades.
4. Comparação com Modelos: A diferença no $\langle v_1^{odd} \rangle$ entre $K^{*0}$ e kaons carregados aumenta com a centralidade. Quando comparado a cálculos hidrodinâmicos:
   • Modelos sem um afterburner hadrônico preveem uma diferença próxima a zero.
   • Modelos incorporando um afterburner hadrônico (UrQMD) reproduzem uma diferença positiva, embora a magnitude seja ligeiramente mais fraca do que os dados experimentais em colisões centrais.
   • Os dados excluem o cenário de "ausência de efeitos de espalhamento hadrônico" com um nível de confiança de 99,4% quando integrados de 0–80% de centralidade.

Significância
O artigo conclui que a diferença observada na dependência da centralidade do fluxo direcionado entre kaons carregados e ressonâncias $K^{*0}$ é provavelmente impulsionada pelo re-espalhamento hadrônico de estágio tardio. Especificamente, o re-espalhamento dos produtos de decaimento do $K^{*0}$ no denso meio hadrônico leva a uma modificação assimétrica do rendimento reconstruído do $K^{*0}$ em relação ao plano do evento de primeira ordem. Esta descoberta destaca que o fluxo direcionado de ressonâncias de vida curta é uma sonda sensível da fase hadrônica e demonstra que "afterburners" de espalhamento hadrônico realistas são essenciais para interpretar confiavelmente os observáveis de fluxo coletivo em termos de coletividade partônica. Os resultados desafiam a interpretação do $v_1^{odd}$ em ressonâncias de vida curta como uma assinatura pura de dinâmica de estágio inicial sem considerar interações de estágio tardio.