[論文レビュー] $D$-mesons propagation in hadronic matter and consequences on heavy-flavor observables in ultrarelativistic heavy-ion collisions

V. Ozvenchuk, Juan M. Torres-Rincón+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2014

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、最近のD中間子のハドロン的断面積を用いて、ハドロン物質中のD中間子の抗力および拡散係数を計算し、それらをFokker-Planck輸送フレームワークに適用して、超相対論的重イオン衝突における重フレーバー観測量を研究する。その結果、ハドロン的再散乱は $R_{AA}$ にほとんど影響を及ぼさないが、楕円流れにはわずかに顕著な効果を示すことが判明した。また、FAIR/NICA条件における $s/\rho_B^{\text{net}} = 20$ の等エントロピー的軌道に沿って、ハドロン物質中のD中間子の拡散と、パートオン的物質中の charm クォークの拡散が完全に一致することが明らかになった。

ABSTRACT

We employ recently published cross sections for $D$-mesons with hadrons and calculate the drag and diffusion coefficients of $D$-mesons in hadronic matter as a function of the momentum of $D$-mesons as well as of the temperature of the medium. Calculating in our approach the spatial diffusion coefficient, $D_x$, at zero chemical potential we see a very smooth transition between our calculations for the hadron gas and the lattice QCD calculations. Applying the results for the transport coefficients of $D$-mesons in a Fokker-Planck equation, which describes the evolution of $D$-mesons during the expansion of a hadron gas created in ultrarelativistic heavy-ion collisions, we find that the value of $R_{AA}$ is little influenced by hadronic rescattering, whereas in the elliptic flow the effects are stronger. We extend our calculations to the finite chemical potentials and calculate the spatial diffusion coefficients of $D$-mesons propagating through the hadronic medium following isentropic trajectories, appropriate at future FAIR and NICA heavy-ion experiments. For the isentropic trajectory with $s/ρ_B^{ m net}=20$ we find a perfect matching of results for $D$-mesons in hadronic matter and for charm quarks in partonic matter treated within the DQPM approach.

研究の動機と目的

• 超相対論的重イオン衝突における重フレーバー観測量（$R_{AA}$ や $v_2$）に及ぼすハドロン的再散乱の役割を理解すること。
• 最近の理論的モデルから得られた最新の断面積を用いて、ハドロン物質中におけるD中間子の抗力および拡散係数を計算すること。
• 将来のFAIRおよびNICA実験に関連する有限なバリオン化学ポテンシャルおよび等エントロピー的軌道の影響を調査すること。
• 同等の熱力学的条件下で、ハドロン物質中のD中間子輸送とパートオン的物質中のcharmクォーク輸送の整合性を評価すること。
• Fokker-Planck近似が、重イオン衝突のハドロン相におけるD中間子の進化を記述する際にどの程度有効であるかを評価すること。

提案手法

• D中間子と軽いハドロン（パイオニ、ラウ、シグマ、陽子・中性子など）の相互作用に関する最近発表の断面積を用い、運動量および温度依存の抗力および拡散係数を計算する。
• Fokker-Planck方程式を用いて、温度および運動量依存の輸送係数を組み込んだ、動的に膨張するハドロンガス中を通過するD中間子の確率的輸送をモデル化する。
• FAIRおよびNICA実験に適した条件を再現するため、等エントロピー的軌道（一定の $s/\rho_B^{\text{net}}$）を構築し、$s/\rho_B^{\text{net}} = 10, 20, 30$ を用いる。
• DQPMアプローチで計算されたパートオン的相におけるcharmクォークの空間的拡散係数 $D_x$ と、ハドロン相におけるD中間子の $D_x$ を比較する。
• 高次ハドロン共鳴状態をハドロン・コーランに自己一貫的に組み込むことで、従来のモデルに比べて高温度域での記述を改善する。
• 膨張する媒体の流体力学的入力を用いて、位相空間におけるD中間子分布関数を進化させ、エネルギー損失と流れの発展を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン物質中におけるD中間子の抗力および拡散係数は、その運動量および媒体の温度にどのように依存するか？
• RQ2 ハドロン的再散乱は、重イオン衝突におけるD中間子の核修正因子 $R_{AA}$ および楕円流れ $v_2$ にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 FAIRおよびNICAに関連する有限なバリオン化学ポテンシャルおよび等エントロピー的軌道下で、D中間子の輸送係数はどのように変化するか？
• RQ4 同等の熱力学的条件下で、ハドロン相におけるD中間子の拡散と、パートオン相におけるcharmクォークの拡散の間には定量的な一致が存在するか？
• RQ5 高次ハドロン共鳴状態を媒体のコーランに組み込むことで、ハドロン的および格子QCD計算における $D_x$ 間の整合性はどの程度向上するか？

主な発見

• ゼロ化学ポテンシャル下で、ハドロン相におけるD中間子の空間的拡散係数 $D_x$ は、ハドロンガスと格子QCDの結果の間で滑らかな遷移を示す。
• ハドロン的再散乱は、追加の冷却と追加の径方向流れの相殺により、D中間子の $R_{AA}$ にほとんど影響を及ぼさない。これは実験的観測と整合的である。
• 楕円流れ $v_2$ はハドロン的再散乱の影響を受けるが、QGP相での流れ獲得に比べてその効果は小さい。
• 等エントロピー的軌道 $s/\rho_B^{\text{net}} = 20$ の場合、ハドロン相におけるD中間子の空間的拡散係数は、DQPMアプローチで計算されたパートオン相におけるcharmクォークの拡散係数と完全に一致する。
• 媒体コーランに高次ハドロン共鳴状態を組み込むことで、それらを無視するモデルに比べて、高温度域における $D_x$ の記述が顕著に改善される。
• D中間子の熱的緩和率 $\gamma$ および $D_x$ は等エントロピー的軌道に強く依存し、バリオン効果はバリオン化学ポテンシャルが高くなるにつれてますます重要になる。