[論文レビュー] Dilepton Spectroscopy of QCD Matter at Collider Energies

Ralf Rapp|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2013

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、加速器エネルギーにおけるQCD物質を調べるためのプーラーとしての二重レプトン分光法を検討し、高温のクォーカー・グルーオンおよびハドロン相からの熱的二重レプトン発生率を用いて、中性子のスペクトル関数に及ぼされる媒体内効果を研究する。主な発見では、低質量二重レプトンスペクトルがチャーミカル対称性の回復とQGPの集団的性質に敏感であり、LHCエネルギー領域で横運動量スペクトルの硬化と発生率の増加が予測され、火炎球のダイナミクスを示す「QGPバロメーター」として機能することが示された。

ABSTRACT

Low-mass dilepton spectra as measured in high-energy heavy-ion collisions are a unique tool to obtain spectroscopic information about the strongly interacting medium produced in these reactions. Specifically, in-medium modifications of the vector spectral function, which is well known in the vacuum, can be deduced from the thermal radiation off the expanding QCD fireball. This, in particular, allows to investigate the fate of the $ρ$ resonance in the dense medium, and possibly infer from it signatures of the (partial) restoration of chiral symmetry, which is spontaneously broken in the QCD vacuum. After briefly reviewing calculations of thermal dilepton emission rates from hot QCD matter, utilizing effective hadronic theory, lattice QCD or resummed perturbative QCD, we focus on applications to dilepton spectra at heavy-ion collider experiments at RHIC and LHC. This includes invariant-mass spectra at full RHIC energy with transverse-momentum dependencies and azimuthal asymmetries, as well as a systematic investigation of the excitation function down to fixed-target energies, thus making contact to previous precision measurements at the SPS. Furthermore, predictions for the energy frontier at the LHC are presented in both dielectron and dimuon channels.

研究の動機と目的

• コライダーエネルギー（RHICおよびLHC）における二重レプトンスペクトルが、中性子のスペクトル関数に及ぼされる媒体内効果をどのように明らかにするかを調査すること。
• 高温・高密度媒体からの二重レプトン発生を通じて、QCD相図におけるチャーミカル対称性の回復の役割を評価すること。
• 理論的予測された二重レプトン発生率を、インバリアント質量スペクトル、横運動量分布、方位アンビグアリティといった実験的観測量と結びつけること。
• SPSからLHCエネルギーにかけての二重レプトン発生量の励起関数を調査し、$T_{\rm pc}$近傍での臨界遅れの兆候をテストすること。
• LMRを用いた初期段階のダイナミクスのプローブとして、QGPの集団的性質および火炎球の寿命に及ぼされる二重レプトン観測量の感受性を評価すること。

提案手法

• 有効ハドロン理論、格子QCD、および再結合された摂動的QCDを用いて、高温QCD物質からの熱的二重レプトン発生率を計算する。
• 格子QCDに基づく連続的相転移状態方程式を用いた相対論的輸送モデルを用いて、火炎球の進化とQGPおよびハドロン相からの発生をシミュレートする。
• インバリアント質量スペクトル、横運動量分布、および楕円流（$v_2$）を計算し、時間に依存する温度と集団的膨張を考慮する。
• $T_{\rm pc} \simeq 160$ MeVに近い領域で、QGP相とハドロン相からの発生率を比較し、転移領域における発生率のほぼ同一性に注目する。
• 発生量が荷電粒子の急速度密度（$N_{\rm ch}^\alpha$）にどのように依存するかを分析し、火炎球の寿命や臨界遅れの可能性を推測する。
• 中間質量領域（IMR）におけるインバリアント質量スペクトルに及ぼす重いフレーバーの崩壊の影響を評価し、即時二重レプトンと相関する重いクォーク寄与を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子のスペクトル関数に及ぼされる媒体内効果は、RHICおよびLHCエネルギーにおける低質量二重レプトンスペクトルにどのように現れるか？
• RQ2 二重レプトンスペクトルは、$μ_B \simeq 0$におけるQCD媒体内でのチャーミカル対称性の回復をどの程度効果的にプローブできるか？
• RQ3 二重レプトン発生量および横運動量スペクトルのエネルギー依存性は何か？ また、それはQGPの集団的性質と火炎球の寿命をどのように反映するか？
• RQ4 SPSからLHCにかけての二重レプトン発生量の励起関数は、連続的相転移付近での臨界遅れの兆候を明らかにできるか？
• RQ5 IMRにおける二重レプトン観測量は、LMRにおけるそれらと比較して、初期のQGP温度と発生ダイナミクスをどの程度効果的にプローブできるか？

主な発見

• RHICおよびLHCにおけるLMRの二重レプトンスペクトルは、QGP寄与が衝突エネルギーに伴い増加するにもかかわらず、$\rho$質量付近でハドロン寄与が支配的である。
• LMRにおける横運動量スペクトルはエネルギーに伴い著しく硬化し、SPSでは約220 MeVからLHC-5500では約450 MeVに至る逆斜面パラメータの増加が予測され、QGPの集団的性質の増強を反映している。
• 全発生量の荷電粒子急速度密度へのスケーリングは、$N_{\rm ch}^\alpha$に従い、$\alpha \simeq 1.8$となる。これは火炎球の寿命に強く依存していることを示している。
• 励起関数に非単調な挙動が見られれば、$T_{\rm pc}$近傍での臨界遅れの兆候となり得る。これにより、二重レプトンの増強は臨界点の兆候となる可能性がある。
• QGP寄与は、$T_{\rm pc}$近傍の転移領域でLMR発生において支配的となり、格子QCDがアクセス可能な領域におけるチャーミカル対称性回復の主要なプローブとなる。
• IMRスペクトルは、相関する重いフレーバーの崩壊が信頼性を持って差し引かれたりモデル化されたりすれば、直接的な温度測定に有望である。