Investigando o equilíbrio térmico local nos estágios iniciais das colisões de íons pesados no regime de acoplamento fraco e o alargamento nuclear de momento transversal

Abstract

Este trabalho estuda a termalização da matéria formada nos instantes iniciais de uma colisão ultra-relativística de íons pesados e o ganho de momento transversal de um párton que se desloca pelo meio nuclear. Diferentes etapas de uma colisão de íons pesados apresentam graus de liberdade diferentes, e podem ser descritas por diferentes teorias efetivas. O sucesso da teoria hidrodinâmica em descrever algumas propriedades globais da matéria formada após a colisão indica, em especial, que o plasma de quarks e glúons (QGP) recém formado atinge um equilíbrio térmico local em tempos muito pequenos, da ordem de τ ∼ 1 fm/c. O estudo de como essa termalização acontece tem sido um dos temas centrais na comunidade de íons pesados nos últimos anos. No cenário de acoplamento fraco, essa termalização ocorre “de baixo para cima”: os pártons iniciais de alta energia irradiam glúons de menor energia, que se equilibram entre si e formam um banho térmico, que então termaliza os pártons mais energéticos restantes. Dentro deste cenário, desenvolvemos um modelo para descrever, de maneira analítica e numérica, como a distribuição de glúons evolui durante a termalização, incluindo, especialmente, os efeitos de expansão e aquecimento do meio. Isso é obtido através de um modelo probabilístico que trata as diferentes emissões do párton dentro de um meio denso como independentes e governadas pelo espectro BDMPS-Z. As propriedades de transporte do meio foram modeladas para incluir a variação de temperatura do meio durante a expansão, que ocorre como consequência do próprio depósito de energia no banho térmico. Além disso, analisamos o ganho de momento transversal de um párton em colisões pA no regime do LHC, através da abordagem de dipolos de cor. As predições para o alargamento nuclear de momento transversal, usando diferentes modelos fenomenológicos, foram comparadas entre si e com dados experimentais.

This work studies how hot QCD matter formed in the first instants after a ultrarelativistic heavy ion collision reaches local thermal equilibrium, and the increase in transverse momentum of a high-energy parton that travels through nuclear matter. Different stages of a heavy ion collision present different degrees of freedom, and therefore may be described by different effective theories. The success of hydrodynamic theory shows, in particular, that the recently formed Quark Gluon Plasma (QGP) reaches local thermal equilibrium in very short times, of order τ ∼ 1 fm/c. The study of how this thermalization occurs has been one of the central topics in the heavy ion community in the past years. In the weak coupling picture, this thermalization occurs from “the bottom up”: high energy partons, formed early in the collision, radiate low energy gluons which then procede to equilibrate among themselves, forming a thermal bath that brings the high energy sector to equilibrium. In this scheme, we present a model to describe how the high energy gluon distribution evolves during the last stages of thermalization. Medium expansion and heating, in particular, have been included in the analysis. This is achieved through a probabilistic model, in which different emissions of a high-energy parton in a dense QCD medium are treated as independent and subject to the BDMPS-Z spectrum. Medium transport properties were modeled in order to include how the medium temperature varies during expansion. Also, we study how transverse momentum of a parton increases in pA collisions in the LHC regime, through the color dipole approach. Predictions for nuclear broadening of transverse momentum, using different phenomenological models, were compared with each other and with experimental data.