[論文レビュー] A study of charm quark correlations in ultra-relativistic $p$ + $p$ collisions with PYTHIA

S. S. Shi, X. Dong+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2015

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、√s = 200、500、5500 GeV の p+p 衝突において、PYTHIA 8.168 を用いて D メソンと電子の相関をシミュレートした。その結果、D–e 相関における遠方ピークは、中性子クォークの相関が支配的であるのに対し、LHC のエネルギー領域では bottom クォークの寄与が顕著になり、charm 相関の純度が低下することが分かった。結果から、RHIC のエネルギー領域では D–e 相関が初期の c–c̄ 対相関を調べるのに有効であるが、LHC のエネルギー領域では bottom の寄与が顕著になるため、B–B̄ 相関がより良いプローブとなることが示唆された。

ABSTRACT

Measurements of heavy flavor quark (charm and bottom) correlations in heavy ion collisions are instrumental to understand the flavor dependence of energy loss mechanisms in hot and dense QCD media. Experimental measurements of these correlations in baseline $p$+$p$ collisions are crucial to understand the contributions of perturbative and non-perturbative QCD processes to the correlation functions and further help in interpreting correlation measurements in heavy ion collisions. In this paper, we investigate $D$-$\bar{D}$ meson correlations and $D$ with one particle from $D$ meson decay daughter correlations using PYTHIA Event Generator in $p$ + $p$ collisions at $\sqrt{s}$ = 200, 500 and 5500 GeV. Charm/bottom events are found to contribute mainly to the away side/near side pattern of $D$-electron correlations, respectively. In the energy region of RHIC, $D$-$\bar{D}$ correlations inherit initial $c$-$\bar{c}$ correlations and $B ightarrow DX$ decay contribution is insignificant. Furthermore, Bottom quark correlations are suggested to be applicable at LHC energy, as the bottom contributions on $D$ related correlations are relatively large.

研究の動機と目的

• p+p 衝突における charm クォーク相関に寄与する微小論的および非微小論的 QCD プロセスの理解を図り、重イオン実験のためのベースラインを提供すること。
• 超相対論的 p+p 衝突における初期の c–c̄ 対相関を調べるため、D–e および D–ハドロン相関の利用可能性を評価すること。
• 高次の pQCD および bottom クォークの崩壊が、増加する衝突エネルギーにおける相関関数に与える影響を評価すること。
• D–D̄ および D–電子相関パターンにおける charm および bottom の寄与のエネルギー依存性を特定すること。
• 異なるエネルギー領域における p+p 衝突および重イオン衝突における重クォーク相関の実験的測定を支援するため、最適な観測量を特定すること。

提案手法

• PYTHIA 8.168 イベントジェネレータを、√s = 200、500、7000 GeV における D⁰ および D* 生産断面積に一致させるために調整し、αs および pTHatMin パrameter を最適化した。
• シミュレーションは √s = 200、500、5500 GeV で実施され、5500 GeV の設定は直接的な実験データが不足していたため、7000 GeV のチューニング結果を基にした。
• D–D̄、D–K、D–e（非光子的電子）、および e–D 組み合わせの相関関数を計算し、方位角角度（Δφ）分布を分析した。
• 運動学的カットとモンテカルロ技術を用いて、崩壊寄与を分離し、charm クォークと bottom クォークの起源を区別した。
• 異なる pT カットにおける、直接生成された D–D̄ 組み合わせの割合を計算し、bottom クォークの寄与を定量化した。
• RHIC と LHC のエネルギー間の比較を通じて、相関パターンおよびバックグラウンド寄与のエネルギー依存性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RHIC および LHC のエネルギー領域における p+p 衝突において、初期の c–c̄ 相関は D–D̄ および D–電子相関関数にどのように現れるか？
• RQ2 高次の pQCD プロセスおよび非微小論的フラグメンテーションは、初期の背中合わせの charm 相関をどの程度広げるか？
• RQ3 増加する衝突エネルギーに伴い、bottom クォークの崩壊（B → D）は D–電子および D–D̄ 相関関数の解釈にどのような影響を与えるか？
• RQ4 LHC のエネルギー領域においても、D–電子相関の遠方領域は、信頼性を持って charm クォーク相関を分離できるか？
• RQ5 異なる pT カットおよび中心系エネルギーにおける、D–D̄ 組み合わせに対する bottom クォーク崩壊の相対的寄与はどの程度か？

主な発見

• RHIC のエネルギー（√s = 200 GeV）では、D–D̄ 相関は初期の c–c̄ 背中合わせパターンを引き継ぎ、pT < 3 GeV/c の範囲で D–D̄ 組み合わせにおける bottom クォーク寄与は 4% 未満であった。
• LHC のエネルギー（√s = 5500 GeV）では、D–D̄ 相関の近方ピークの大きさが遠方ピークと同等にまで上昇し、高次の pQCD および bottom クォーク寄与による著しいスメアリングが示された。
• D–非光子的電子相関に関しては、charm イベントが遠方パターンを支配するが、bottom イベントが近方パターンを支配し、特に高い pT カットでは顕著になる。
• √s = 5500 GeV で pT カットを 6 GeV/c に設定した場合、D–D̄ 組み合わせにおける bottom 崩壊由来の割合は最大で約 15% に達する一方、√s = 200 GeV の場合は 5% 未満であった。
• √s = 5500 GeV では、高次の pQCD および bottom 寄与による著しいスメアリングのため、D–e 相関関数はほぼ平坦化し、初期の c–c̄ 相関に対する感度が著しく低下した。
• bottom クォーク相関（特に B–B̄）は、より大きな生成断面積とクリアな信号パターンのおかげで、LHC のエネルギー領域における実験的分析に charm 相関よりも適していることが判明した。