[論文レビュー] Estimating the Charm Quark Diffusion Coefficient and thermalization time from D meson spectra at RHIC and LHC

Francesco Scardina, Santosh K. Das+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2017

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 2被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、RHICおよびLHCからのD中間子スペクトルを用いて、クォーク- gluonプラズマ（QGP）における charm クォークの拡散係数と熱化時間の推定を目的として、準粒子モデル（QPM）を用いたボルツマン輸送アプローチを提案する。非摂動的相互作用がTc近傍で顕著であることに加え、フラグメンテーションと凝集のハイブリッドモデルを組み合わせることで、RAAおよびv2の両方のデータを同時に再現でき、熱化時間は4–6 fm/c、2πTDsについては lattice QCD と良好な一致を示す。

ABSTRACT

We describe the propagation of charm quarks in the quark-gluon plasma (QGP) by means of a Boltzmann transport approach. Non-perturbative interaction between heavy quarks and light quarks have been taken into account through a quasi-particle approach in which light partons are dressed with thermal masses tuned to lQCD thermodynamics. Such a model is able to describe the main feature of the non-perturbative dynamics: the enhancement of the interaction strength near $T_c$. We show that the resulting charm in-medium evolution is able to correctly predict simultaneously the nuclear suppression factor, $R_{AA}$, and the elliptic flow, $v_2$, at both RHIC and LHC energies and at different centralities. The hadronization of charm quarks is described by mean of an hybrid model of fragmentation plus coalescence and plays a key role toward the agreeement with experimental data. We also performed calculations within the Langevin approach which can lead to very similar $R_{AA}(p_T)$ as Boltzmann, but the charm drag coefficient as to be reduced by about a $30\%$ and also generates an elliptic flow $v_2(p_T)$ is about a $15\%$ smaller. We finally compare the space diffusion coefficient $2πTD_s$ extracted by our phenomenological approach to lattice QCD results, finding a satisfying agreement within the present systematic uncertainties. Our analysis implies a charm thermalization time, in the $p ightarrow 0$ limit, of about $4-6 \, fm/c$ which is smaller than the QGP lifetime at LHC energy.

研究の動機と目的

• RHICおよびLHCにおけるD中間子の核抑制因子RAAおよび楕円流v2を、輸送モデルを用いて同時に記述すること。
• 現象論的アプローチを用いて、QGP内でのcharmクォークの拡散係数Dsおよび熱化時間の推定を行うこと。
• 実験的観測量を再現するにあたり、ボルツマン輸送アプローチとランジュバンアプローチの比較を行うこと。
• 抽出された輸送係数が lattice QCD の結果とどの程度一致するかを検証すること。
• 特に凝集が顕著なハドロン化メカニズムが、実験データの再現に果たす役割を評価すること。

提案手法

• QGP内でのcharmクォークの伝播をシミュレートするために、ボルツマン輸送アプローチを採用する。
• 温度依存の熱的質量を有する準粒子モデル（QPM）を用い、lattice QCDの熱力学に合わせて調整することで、非摂動的相互作用を記述する。
• フラグメンテーションと凝集を組み合わせたハイブリッドハドロン化モデルを実装し、低運動量領域では凝集が支配的となるように設定する。
• RAAを一致させるためにドラッグ係数を調整した上で、ランジュバンアプローチと結果を比較する。
• 空間的拡散係数2πTDsを抽出し、p→0極限における熱化時間を推定する。
• 系統的不確実性を考慮した範囲内で、抽出された拡散係数を lattice QCD のデータと照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QPMを用いたボルツマン輸送アプローチは、RHICおよびLHCにおけるD中間子のRAAおよびv2を両方とも成功裏に再現できるか？
• RQ2 推定されたcharmクォークの熱化時間は何か？ また、QGPの寿命と比較するとどうなるか？
• RQ3 フラグメンテーションと凝集のハイブリッドハドロン化モデルは、実験的RAAおよびv2との一致にどのような影響を及えるか？
• RQ4 ボルツマンアプローチの結果は、ランジュバンアプローチの結果と定量的にどの程度一致するか？
• RQ5 抽出された拡散係数2πTDsは、lattice QCDの計算結果とどの程度一致するか？

主な発見

• QPMおよびハイブリッドハドロン化を組み合わせたボルツマン輸送アプローチは、異なる中央性においても、RHICおよびLHCにおけるD中間子のRAAおよびv2を両方とも成功裏に再現した。
• charmクォークの熱化時間は4–6 fm/cと推定され、LHCエネルギー下ではハドロン化の前にはほぼ完全な運動的熱化が達成されていることを示唆している。
• 特に低運動量領域での凝集が顕著なハイブリッドハドロン化モデルは、RAAおよびv2の両方を実験データに一致させるために不可欠である。
• 同じRAAを再現する条件下で、ボルツマン法はランジュアン法に比べてv2を約15%大きく生成し、実験データとの一致がより良好であることを示している。
• 抽出された空間的拡散係数2πTDsは温度に比例して増加し、現在の不確実性範囲内でlattice QCDの結果と良好な一致を示した。
• ハドロン系衝突の寄与により、v2はさらに10–20%向上し、今後のデータとの一致のさらなる改善が可能であることが示唆された。