[論文レビュー] Current Topics in Heavy Quarkonium Physics

Nora Brambilla|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2011

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、有効場理論（EFT）を用いた重味クォーカー状態物理学における最近の進展をレビューし、摂動的および非摂動的QCD領域の相互作用に焦点を当てる。クォーク=グルーオンプラズマ中におけるクォーカー状態の崩壊は、主にポテンシャルの虚数部に起因する熱的崩壊幅によって駆動され、色スクリーニングよりも顕著であることが示され、主要な結果として、LHCエネルギーにおけるボトムオン状態では質量シフトが温度の2次関数的、熱的幅が線形に温度依存することを明らかにする。

ABSTRACT

I review some recent progress, open puzzles and future opportunities in heavy quarkonium physics in the framework of effective field theories

研究の動機と目的

• 重クォーカー状態物理学を、NRQCD、pNRQCD、HQETを含む有効場理論（EFT）を用いて、複数のエネルギースケールにわたって体系的に記述すること。
• 高エネルギーおよび熱的環境下におけるクォーカー状態の結合、生成、崩壊において、摂動的および非摂動的ダイナミクスの役割を明確にすること。
• 現象的モデルを越えて、質量、幅、崩壊率などのクォーカー状態の観測量を予測する、モデルに依存しない体系的枠組みを提供すること。
• 特にクォーク=グルーオンプラズマ中におけるクォーカー状態の挙動、特に逐次的抑制および物質中での修正を調査すること。
• Bファクトリー、テバトロン、RHIC、LHCからの高精度実験データと理論的予測を結びつけ、Panda、SuperB、高出力Bファクトリーでの今後の実験を指針づけること。

提案手法

• pNRQCD、NRQCD、SCETなどの有効場理論（EFT）を用いて、クォーカー状態系におけるハード、ソフト、極めてソフトなスケールを分離する。
• pNRQCDにおけるポテンシャルを用いてクォーカー状態の相互作用を記述し、結合エネルギーのスケールより高いモードを統合することでポテンシャルを導出する。
• 高温補正をポテンシャルに加える。特に、実部および虚数部を含む補正を、ハード・サーモン・ループ（HTL）再結合および弱結合展開を用いて計算する。
• クォーカー状態の熱的幅を、2つのメカニズム（ランドー減衰（QED的）および色八重項崩壊（QCD特有））から導出し、デイビー質量が結合エネルギーに対して相対的に大きいか小さいかに応じて支配的メカニズムが変化することを示す。
• EFTフレームワーク内でポリアコフ線の相関関数を、クォーク＝反クォークのシングレットおよびオクテット相関関数に関連づけ、有限温度におけるスクリーニングおよび崩壊を記述する。
• 高次の摂動的計算（$m\alpha_s^5$まで）を実施し、それらを lattice QCD の結果と組み合わせることで、質量シフトや幅といった観測量の理論的精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クォーク=グルーオンプラズマ中におけるクォーカー状態の崩壊の主なメカニズムは何か：色スクリーニングか、熱的崩壊幅か？
• RQ2 特に虚数部を含むポテンシャルの熱補正が、スペクトル関数および結合エネルギーに与える影響は何か？
• RQ3 特にLHC条件下のボトムオン状態において、クォーカー状態のエネルギー準位および崩壊率は、どのように温度に依存するか？
• RQ4 ランドー減衰と色八重項崩壊の相対的寄与が、異なる温度におけるクォーカー状態の熱的幅をどのように決定するか？
• RQ5 EFTは、クォーカー状態の生成、結合、物質中での修正を、体系的かつモデルに依存しない形で記述できるか、その範囲はどの程度か？

主な発見

• クォーカー状態の熱的崩壊幅は、ポテンシャルの虚数部に起因し、色スクリーニングよりも崩壊を支配する。この幅は、デイビー・スクリーニングが働く前には結合エネルギーと同等の大きさに達する。
• LHCエネルギー下のボトムオン $1S$ 状態では、クォーカー状態の質量が温度の2乗に比例して増加し、これは二重電子崩壊エネルギーの2次関数的シフトを示唆する。
• クォーカー状態の電磁的崩壊率には、$T^2$ に比例する熱補正が加わり、高温状態で顕著な修正が観測可能であることを示す。
• 一次の熱的幅が温度に線形に依存する形で現れ、クォーカー状態が高温で色八重項連続状態に崩壊する傾向を示唆する。
• 有限温度におけるシングレットポテンシャルは、自由エネルギーでも内部エネルギーでもない。非自明な虚数部と発散を含み、物理的観測量ではキャンセルされる。
• クォーカー状態の融解温度は $\pi T_{\text{melting}} \sim m g^{4/3}$ に比例し、クォーク=グルーオンプラズマ中での融解の始まりをパラメトリックに推定する手がかりを提供する。