Searching for the chiral critical point of quark matter in relativistic ion collisions

Abstract

The chiral critical point of QCD is characterized by a second order phase transition.At its vicinity, the quark-antiquark chiral condensate vanishes and chiral symmetryis partially restored. This phase transition is accompanied by a divergence of thecorrelation length, which induces a self-similar fractal geometry in the condensate, andresults in macroscopic observables following well-defined power-law scaling dictated bycertain universality classes.We use intermittency analysis of second scaled factorial moments (SSFMs) in trans-verse momentum space in order to detect power-law (self-similar) fluctuations in thedensity-density correlation function of baryons produced in relativistic ion collisionsat SPS, CERN. Based on the saddle-point approximation, we develop a model of theeffective actions describing the sigma condensate and baryon density at the vicinity of thecritical point, as well as Monte-Carlo simulations that implement these models on acomputer. We apply improved intermittency analysis to the simulated condensate aswell as experimental data sets in order to determine the possible location of the QCDcritical point on the T - \mu_B phase diagram. Adapting existing statistical techniques tointermittency analysis, we improve the quality of the signal and estimation of statisticaland systematic uncertainties. By juxtaposing simulations with experiment, we estimatethe level of contamination by non-critical components and the degree of approach ofthe system to the critical point.We find evidence of critical fluctuations of the proton density in “Si”+Si collisions atthe maximum energy of the NA49 experiment at CERN, SPS. Based on this evidence,we estimate that the critical point is around the vicinity of the freeze-out of the “Si”+Sisystem (T ∼ 165 MeV, \mu_B ∼ 250 MeV). We propose further intermittency analysis in thesame neighbourhood by future experiments probing the phase diagram of QCD, such asNA61/SHINE.

Στη γειτονιά του κρισίμου σημείου της Κβαντικής Χρωμοδυναμικής (ΚΧΔ), μια μετάβαση φάσης 2ας τάξεως οδηγεί σε μερική αποκατάσταση της χειραλικής συμμετρίας, με ταυτόχρονο μηδενισμό της αναμενόμενης τιμής του χειραλικού συμπυκνώματος, απειρισμό του μήκους συσχέτισης, και ανάδυση αυτο-όμοιας φράκταλ δομής με μακροσκοπικά χαρακτηριστικά που καθορίζονται από συγκεκριμένες κλάσεις παγκοσμιότητας.Εφαρμόζουμε μια ανάλυση σποραδικότητας των δευτέρας τάξεως κανονικοποιημένων παραγοντικών ροπών στο χώρο των εγκαρσίων ορμών προκειμένου να ανιχνεύσουμε (αυτο-όμοιες) διακυμάνσεις, που ακολουθούν νόμους δύναμης, στην συνάρτηση συσχέτισης πυκνότητας των βαρυονίων που παράγονται σε σχετικιστικές σκεδάσεις ιόντων στο SPS του CERN. Με βάση την προσέγγιση σαγματικού σημείου, αναπτύσσουμε ένα μοντέλο της ενεργού δράσης η οποία περιγράφει το σ-συμπύκνωμα και την βαρυονική πυκνότητα στην περιοχή του κρισίμου σημείου, καθώς και προσομοιώσεις Monte Carlo που υλοποιούν τα μοντέλα αυτά σε υπολογιστή. Εφαρμόζουμε βελτιωμένες τεχνικές ανάλυσης σποραδικότητας τόσο στο προσομοιωμένο συμπύκνωμα όσο και σε πειραματικά σύνολα δεδομένων προκειμένου να εντοπίσουμε την πιθανή θέση του κρισίμου σημείου της ΚΧΔ στο διάγραμμα φάσης T - μΒ. Προσαρμόζοντας εδραιωμένες στατιστικές τεχνικές στην ανάλυση σποραδικότητας, βελτιώνουμε την ποιότητα του σήματος και την εκτίμηση των στατιστικών και συστηματικών σφαλμάτων στα δεδομένα μας. Αντιπαραθέτοντας τα πειραματικά δεδομένα με τις προσομοιώσεις μας, εκτιμούμε το επίπεδο πρόσμιξης των μη-κρίσιμων συστατικών και το βαθμό προσέγγισης του συστήματος στο κρίσιμο σημείο.Εντοπίζουμε ενδείξεις κρισίμων διακυμάνσεων της βαρυονικής πυκνότητας σε σκεδάσεις “Si”+Si στη μέγιστη ενέργεια του πειράματος NA49 του CERN, SPS. Με βάση τις ενδείξεις, εκτιμούμε ότι το κρίσιμο σημείο βρίσκεται κοντά στις συνθήκες του freeze-out του “Si”+Si (T ~ 165 MeV, μB ~ 250 MeV). Προτείνουμε περαιτέρω σποραδική ανάλυση στην ίδια περιοχή τιμών σε μελλοντικά πειράματα που ερευνούν το φασικό διάγραμμα της ΚΧΔ, όπως το NA61/SHINE.