Nonequilibrium QCD in heavy-ion collisions : kinetic theory and jet modifications during the initial stages

Abstract

In relativistischen Schwerionenkollisionen wird ein Hochtemperaturplasma erzeugt, das durch einen Zustand freier Quarks und Gluonen charakterisiert ist. Es wird durch die Theorie der starken Wechselwirkung beschrieben, die Quantenchromodynamik (QCD). Bei hohen Energien erlaubt diese eine effektive kinetische Beschreibung, die es ermöglicht, die Thermalisierung des anfänglich weit vom Gleichgewicht entfernten Plasmas aus Quarks und Gluonen zu simulieren. In der Nähe des Gleichgewichts kann das Plasma als eine relativistische Flüssigkeit beschrieben werden. Diese hydrodynamische Beschreibung dient als Grundlage vieler Studien zu Schwerionenkollisionen. Jedoch hat in letzter Zeit die vorhergehende Phase außerhalb des Gleichgewichts erhöhte Aufmerksamkeit erhalten, insbesondere, da sie möglicherweise experimentell mittels hochenergetischer Teilchen, genannt Jets, untersucht werden kann. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, wie Jets durch das Plasma fern des Gleichgewichts modifiziert werden. Diese Modifikation wird typischerweise durch eine einzige Funktion des Mediums beschrieben, die Dipol-Wirkungsquerschnitt genannt wird. Dessen Verhalten für kleine Entfernungen wird durch den Jet Quenching Parameter $\hat q$ beschrieben und wir berechnen dessen Werte in den frühen Nicht-Gleichgewichtsphasen von Schwerionenkollisionen. Insbesondere finden wir, dass dessen Werte in unseren Simulationen mit jenen Werten dieses Parameters vergleichbar sind, die in der noch früheren Glasma Phase berechnet wurden, sowohl in Größe als auch Richtungsabhängigkeit. Weiters extrahieren wir den allgemeineren Kollisionskernel durch Fourier-Transformation des Dipol-Wirkungsquerschnitts. Wir finden, dass dessen Werte bei kleinen Abständen kleiner sind als im thermischen Gleichgewicht, was zu einer Unterdrückung von Jet Quenching während der frühen Zeiten führt. Das Extrahieren dieser Größen stellt einen bedeutenden Schritt dar, um die Beschreibung von Jet-Medium Wechselwirkungen in den frühen Phasen von Schwerionenkollisionen besser zu verstehen. Darüber hinaus verbessert diese Arbeit die zugrundeliegende kinetische Beschreibung durch die Verwendung eines realistischeren Abschirmmechanismus (mittels harter thermischer Schleifen), um die Effekte des Mediums zu berücksichtigen. Diesen vergleichen wir mit einfacheren Abschirmmechanismen. Für isotrope Systeme sind seine Effekte vernachlässigbar, wohingegen ein expandierendes Plasma, das in den frühen Zeiten von Schwerionenkollisionen existiert, eine deutlich geringere Anisotropie aufweist, wenn man den verbesserten Abschirmmechanismus verwendet. Wir quantifizieren diesen Effekt auch durch die Ermittlung der numerischen Werte der spezifischen Viskosität $\eta/s$, deren Wert durch die verbesserte Abschirmvorschrift verringert wird. Schließlich untersuchen wir die Spaltungsraten von Gluonen, die in kinetischen QCD Simulationen auf Basis einer isotropen Näherung verwendet werden. Wir stellen fest, dass sich die Spaltungsraten unter Verwendung des anisotropen Nicht-Gleichgewichts-Kernels deutlich von den genäherten Raten unterscheiden, und zwar sowohl in der Größe als auch im qualitativen Zeitverhalten. Weiters identifizieren wir einen neuartigen Attraktor, der für das Verhältnis des Jet Quenching Parameters zwischen verschiedenen Richtungen relevant ist, und über die Extrapolation zu verschwindenden Kopplungen erhalten wird. Die Weiterentwicklung der kinetischen Theorie und diese neuartigen Attraktoren führen zu einem besseren Verständnis der Thermalisierung des Quark-Gluon Plasmas in Schwerionenkollisionen.

Heavy-ion collision experiments create a high-temperature plasma that is characterized by a deconfined state of quarks and gluons. It is described by the theory of the strong interaction: Quantum Chromodynamics (QCD). At high energies, QCD admits an effective kinetic description, which allows studying and simulating how the initially far-from-equilibrium plasma reaches thermal equilibrium, where the plasma can be described as a relativistic fluid. While many studies have focused on this fluid phase, the nonequilibrium stages before a fluid picture becomes applicable have recently received increased attention. In particular, they may be experimentally studied using highly energetic particles called jets.This thesis focuses on how jets are modified by the nonequilibrium quark-gluon plasma. Its influence on their propagation is typically encoded in a single medium function which is referred to as the dipole cross section. Its small distance behavior is characterized by the jet quenching parameter $\hat q$, and we obtain its numerical value throughout the pre-equilibrium stage, finding values comparable in magnitude to the earlier Glasma stage, with also a similar anisotropy. We also compute the more general elastic collision kernel, obtained by Fourier transforming the dipole cross section. We observe that its small distance behavior is suppressed during the pre-fluid stages, implying a suppression of jet quenching during the initial stages. This constitutes an important step to facilitate the understanding of jet-medium interactions during the initial stages in heavy-ion collisions.Additionally, this thesis improves our understanding of QCD equilibration in heavy-ion collisions. QCD kinetic theory simulations are improved by employing a more realistic (hard thermal loop) screening mechanism to incorporate medium effects, which we compare with simpler screening mechanisms. While the effect on isotropic systems is negligible, an expanding plasma realized in the initial stages of heavy-ion collisions exhibits a significantly reduced maximum anisotropy when using the improved screening prescription. We also quantify its effect on the specific shear viscosity $\eta/s$, finding that its numerical value decreases when using the improved screening prescription. Moreover, we investigate the gluon splitting rates used as input for kinetic theory simulations, which are typically obtained using an isotropic model for the collision kernel. Going beyond that approximation, we find that the splitting rates obtained from the nonequilibrium anisotropic kernel significantly differ from those used in QCD kinetic theory simulations, both in magnitude and qualitative time evolution. We further identify a novel type of attractor in this thesis, which can be observed in the ratio of the jet quenching parameter, and is obtained by extrapolating to vanishing coupling. This weak coupling limiting attractor is also identified in the pressure ratio. This improved kinetic theory description and novel limiting attractors contribute towards a more realistic modeling of the nonequilibrium QCD plasma and its equilibration and hydrodynamization process during the initial stages.