Simulation of quark-gluon plasma initial states with Monte-Carlo EKRT model

Abstract

Tutkin tässä väitöskirjassa ultrarelativistisissa raskasionitörmäyksissä syntyvän kvarkki-gluoniplasman (QGP) hydrodynaamista alkutilaa. Olen ohjelmoinut tätä tarkoitusta varten alusta alkaen uuden Monte Carlo (MC) -toteutuksen jo menestyneestä Eskola-Kajantie-Ruuskanen-Tuominen (EKRT) alkutilamallista. MCEKRT -mallissa raskasionitörmäyksessä syntyvää energiatiheyttä mallinnetaan minijettien avulla. Minijetit ovat kvanttiväridynamiikan häiriöteorialla (pQCD) tuotettuja kvarkkeja ja gluoneja, joilla on erittäin pieni poikittaisliikemäärä pT— jopa 1 GeV. Mallin keskeinen rakennusosa on saturaatio-oletus, joka ottaa huomioon paikalliset ainetiheyden vaihtelut törmäyksestä toiseen (EbyE). Saturaation tehtävä on dynaamisesti rajoittaa tuotettujen minijettien multiplisiteettiä. Sen ohella, että uudessa MC-EKRT:ssä minijettien tuotto vaihtelee EbyE, mallin tärkein uusi ominaisuus on tuotetun QGP-alkutilan rapiditeettiriippuvuus. Koska minijettien neliliikemäärät tunnetaan, voidaan myös QGP-alkutilan energialiikemäärätensori T^μν laskea jokaiselle törmäykselle erikseen. Tämä mahdollistaa plasman rapiditeettiriippuvaisten suureiden 3+1 ulotteisen (3+1D) hydrodynaamisen simulaation. Toinen merkittävä uusi ominaisuus on partonien jakaumafunktiot (PDF:t), jotka ottavat huomioon paikkariippuvuuden ydinvarjostuksessa uudella tavalla, joka sallii myös kaikkein voimakkaimmat tiheysvaihtelut ydinaineessa. Tekemääni tapahtumageneraattoriin on sisällytetty myös energian ja valenssikvarkkien lukumäärien säilymisvaatimus, sekä nukleonien alirakennemalli, ja lisäksi sen tuottamien minijettien partonimakua seurataan. MC-EKRT-tapahtumageneraattorin ytimessä on kahden jetin tuottamisen inklusiivisen pQCD-vaikutusalan σjet laskeminen ydinvarjostuksella kahden nukleonin törmäyksessä. Käytimme samaa laskentaa artikkelissa [PI] tutkiessamme tarvetta ottaa huomioon ydinvarjostus Monte Carlo Glauber -malleissa käyttämällä rajoitteina viimeaikaisia kokeellisia LHC-tuloksia raskaiden vektoribosonien tuotosta. Artikkelissa [PII] käymme MC-EKRT -mallin yksityiskohtaisesti läpi ja annamme esimerkin MC-EKRT-alkutilojen käytöstä keskeisyysluokkakeskiarvoistetussa 3+1D hydrodynaamisessa simulaatiossa. Artikkeli [PIII] havainnollistaa MC-EKRT-alkutilojen käyttöä puskuinvariantissa 2+1D EbyE hydrodynaamisessa simulaatiossa. Tuottamamme teoreettiset ennusteet yhtenevät erinomaisesti kokeellisten tulosten kanssa varattujen hiukkasten multiplisiteetin rapiditeettiriippuvuudesta dN_ch/dη lyijy–lyijy –törmäyksissä energioilla √sNN = 5.02 TeV ja 2.76 TeV, sekä kulta–kulta –törmäyksissä energialla √sNN = 200 GeV. Samoin vastaavien virtauskertoimien v_n lasketut arvot olivat hyvin yhteneviä kokeellisesti havaittujen kanssa.

In this thesis, the initial state of the quark gluon plasma (QGP) generated in ultrarelativistic heavy-ion collisions is studied. For this purpose, the author has created from scratch a completely new Monte-Carlo (MC) implementation of the successful Eskola-Kajantie-Ruuskanen-Tuominen (EKRT) initial state model. In this model, the energy density generated in the heavy-ion collision is modelled via minijets, small-down to 1 GeV-transverse momentum pT quarks and gluons, produced via perturbative Quantum Chromodynamics (pQCD). A key ingredient is the saturation conjecture, here a local version which fluctuates eventby- event (EbyE), which dynamically controls the generated minijet multiplicity. Among the EbyE fluctuating minijet production, the most important new feature of the model is the rapidity dependence of the output. As the four-momentum of the minijets is fully known, the EbyE fluctuating energy–momentum tensor T^μν of the QGP initial state can be computed, enabling 3+1D fluid dynamical simulations producing rapidity dependent observables. Another novel feature are the developed parton distribution functions (PDFs) which include spatial dependence in nuclear shadowing in a new way that allows also for the largest density fluctuations in the nuclear matter. Also energy conservation and valence quark number conservation are now considered. Among its other features, the new MC-EKRT event generator includes also a nucleon substructure model and the tracking of the partonic flavour of the generated minijets. The heart of the MC-EKRT event generator, the calculation of the inclusive pQCD cross section of producing two jets in a nucleon–nucleon collision σjet with nuclear shadowing, is employed in the article [PI] to investigate the possibility of the need to account for nuclear shadowing in Monte-Carlo Glauber models by using recent experimental data on heavy vector boson production at the LHC as constraints. The article [PII] introduces the MC-EKRT model in detail. The articles [PII] and [PIII] demonstrate the usage of the MC-EKRT initial states in a centrality-class averaged 3+1D hydrodynamical simulation ([PII]) and in boost independent 2+1D EbyE fluid simulation ([PIII]), yielding excellent agreement with the experimental data in the observed rapidity distributions of the charged particle multiplicity dNch/dη in Pb+Pb collisions at √sNN = 5.02 and 2.76 TeV, and in Au+Au collisions at √sNN = 200 GeV, and in their corresponding observed flow coefficients v_n.