Analysis of flow harmonics and particle correlations in relativistic heavy ion collisions
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Data
Autores
Orientador
Wey-Liang Qian
Coorientador
Pós-graduação
Física e Astronomia - FEG
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
Adescrição hidrodinâmica das colisões de íons pesados relativísticos desempenha um papel fundamental na compreensão das propriedades da matéria QCD. A avaliação do fluxo coletivo tem uma importância significativa na área de pesquisa pertinente. Em particular, vários fatores específicos podem causar incertezas na medição. Entre outros, a multiplicidade de eventos apresenta flutuações significativas, enquanto a excentricidade inicial também mostra um comportamento flutuante. A presente tese tem como principal objetivo estudar os assuntos relevantes. Primeiramente, focamos no impacto das flutuações de multiplicidade nas correlações entre pares de hádrons e investigamos métodos eficazes para suprimir essas flutuações durante as medições de correlação de partículas. Primeiramente, focamos no impacto das flutuações de multiplicidade nas correlações entre pares de hádrons e investigamos métodos eficazes para suprimir essas flutuações durante as medições de correlação de partículas. Quando as flutuações de multiplicidade são suficientemente reduzidas, simulações de Monte Carlo revelam características distintas escondidas dentro das flutuações que seriam esmagadoras de outra forma. Além disso, propomos que este esquema de normalização se alinhe naturalmente com os correlatores de múltiplas partículas, que podem ser avaliados usando q-vetores. Notavelmente, mesmo que a função de distribuição de probabilidade das condições iniciais seja isotrópica, flutuações estatísticas no perfil de energia ainda resultam em um ϵ anisotrópico diferente de zero. Por outro lado, harmônicos de fluxo derivados de espectros de hádrons usando correlatores de múltiplas partículas exibem inevitavelmente uma variância não negligenciável devido à estatística limitada. Uma vez que seu objetivo é extrair informações sobre flutuações nas condições iniciais através de harmônicos de f luxo e suas flutuações, flutuações devidas à multiplicidade finita podem desempenhar um papel na interferência desses esforços. A este respeito, exploramos a natureza e o impacto de tais flutuações nos estados inicial e final, ambos parecem ser flutuações estatísticas originadas de um número finito de números quânticos no sistema subjacente. Além disso, simulações numéricas foram realizadas. Por f im, exploramos a possibilidade de usar estimadores de máxima verossimilhança (MLE) para medir harmônicos de fluxo. Para uma multiplicidade finita dada, o MLE pode estimar simultaneamente todos os parâmetros desconhecidos da camada subjacente e mitigar eficazmente a variância da medição. Além disso, o método fornece uma maneira de avaliar uma classe específica de harmônicos híbridos, o que não é diretamente viável com métodos baseados principalmente em correlações de partículas. Os resultados foram analisados usando o método de Wald, razões de verossimilhança e testes fracionários de hipóteses. Além disso, foi feita uma comparação entre os harmônicos de fluxo obtidos pelo MLE e aqueles obtidos pelos métodos de correlação de partículas e plano de evento. A dependência dos harmônicos de fluxo extraídos na multiplicidade de eventos individuais e no número total de eventos foi analisada. Os resultados mostram que este método pode resolver eficazmente a limitação da aceitabilidade do detector. Além disso, elaboramos um cenário fictício em que o plano do evento não é uma quantidade bem definida na função de distribuição. Para o último caso, o MLE tem um desempenho melhor do que os estimadores de correlação de duas partículas. Concluímos que o MLEoferece uma alternativa significativa aos métodos de análise de fluxo existentes.
Resumo (inglês)
The hydrodynamic description of relativistic heavy ion collisions plays a pivotal role in comprehending the properties of QCD matter. The assessment of collective flow holds significant importance in the pertinent research area. In particular, numerous specific factors potentially cause uncertainties in the measurement. Among others, the multiplicity of events exhibits significant fluctuations, while the initial eccentricity also displays fluctuating behavior. The present thesis primarily aims to study the relevant subjects. Firstly, we focus on the impact of multiplicity fluctuations on correlations between hadron pairs and investigate effective methods to suppress these fluctuations during particle correlation measurements. Specifically, by employing appropriate normalization techniques, we can evaluate particle correlations in a manner that is independent of the event multiplicity. When multiplicity f luctuations are sufficiently reduced, Monte Carlo simulations reveal distinct features hidden within the otherwise overwhelming fluctuations. Moreover, we propose that this normalization scheme naturally aligns with multi-particle correlators, which can be assessed using q-vectors. Furthermore, the eventby-event fluctuations have significant implications in relativistic heavy ion collisions. Notably, even though the probability distribution function of the initial conditions is isotropic, statistical fluctuations in the energy profile still result in a non-zero anisotropic ϵ. On the other hand, flow harmonics derived from hadron spectra using multi-particle correlators unavoidably exhibit non-negligible variance due to limited statistics. Since its goal is to extract information about fluctuations in initial conditions through f low harmonics and their fluctuations, fluctuations owning to finite multiplicity may play a role in interfering with such efforts. In this regard, we explore the nature and impact of such fluctuations in the initial and final states, both of which appear to be statistical fluctuations originating from a finite number of quantum numbers in the underlying system. We provide a detailed analysis of initial state eccentricities’ characteristics for smooth and event-wise fluctuating initial conditions, elucidating their distinct influence on the resulting flow harmonics. Additionally, numerical simulations were conducted. Lastly, We explored the possibility of using maximum likelihood estimators (MLE) to measure f low harmonics. For a given finite multiplicity, the MLE can simultaneously estimate all unknown parameters of the underlying layer and effectively mitigate measurement variance. Furthermore, the method provides a way to evaluate a specific class of hybrid harmonics, which is not directly feasible with methods mainly based on particle correlations. Results were analyzed using the Wald method, likelihood ratios, and fractional tests of hypotheses. Additionally, a comparison was made between the flow harmonics obtained by MLE and those obtained by the particle correlation and event plane methods. The dependence of the extracted flow harmonics on the multiplicity of individual events and the total number of events was analyzed. The results show that this method can effectively solve the shortcoming of detector acceptability. Furthermore, we elaborate on a fictional scenario where the event plane is not a well-defined quantity in the distribution function. For the latter case, MLE performs better than two-particle correlation estimators. We conclude that MLE offers a meaningful alternative to existing flow analysis methods.
Descrição
Palavras-chave
Hidrodinâmica, Colisões entre íons pesados, Colisões (Física), relativistic hydrodynamic, collective flow, multiplicity, statistic fluctuations
Idioma
Inglês
Citação
CHONG, Ye. Analysis of flow harmonics and particle correlations in relativistic heavy ion collisions. Orientador: Wey-Liang Qian. 2023. 86 f. Tese (Doutorado em Física e Astronomia) - Faculdade de Engenharia e Ciências, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2023.
