[論文レビュー] Excited charmonium suppression in proton-nucleus collisions as a consequence of comovers

E. G. Ferreiro|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、陽子-核子衝突における charm 状態の生成と併せて生成される共動ハドロン（comoving hadrons）との最終状態相互作用が、RHIC や LHC のエネルギー領域で励起状態 $\psi(2S)$ が $J/\psi$ よりも強く抑制される現象を説明すると提案している。核子吸収説は、形成時間の制約により高エネルギー領域で失敗するが、共動相互作用は、より大きく拡散した $\psi(2S)$ 状態の相互作用窓が長くなることから、そのより強い抑制を自然に説明できる。

ABSTRACT

Recent results from proton(deuteron)-nucleus collisions at RHIC and LHC energies have shown an unexpected suppression of excited quarkonium states as compared to their ground states. In particular, stronger suppression of the $ψ(2S)$ relative to the $J/ψ$ has been detected. Similar observations were made at lower energies and were easily explained by nuclear absorption. At higher energies, a similar explanation would violate the Heisenberg principle, since the calculations based on the uncertainty principle lead to a charmonium formation time expected to be larger than the nuclear radius, which results in identical nuclear break-up probability for the $ψ(2S)$ and $J/ψ$. On the contrary, this behavior is naturally explained by the interactions of the quarkonium states with a comoving medium. We present our results on $J/ψ$ and $ψ(2S)$ production for d+Au collisions at $\sqrt{s}=200$ GeV and for p+Pb collisions at $\sqrt{s}=5.02$ TeV.

研究の動機と目的

• RHIC や LHC のエネルギー領域における陽子-核子衝突における $\psi(2S)$ と $J/\psi$ の相対的抑制の増大というパズルを解明すること。
• チャーモニウムの形成時間が核半径を上回るため、高エネルギー領域で失敗する従来の核子吸収説に挑戦すること。
• 最終状態の共動ハドロンとの相互作用が観測された抑制パターンを一貫して説明できることを示すこと。
• 高多重度 p+Pb および d+Au 衝突におけるクォーカンマ状態に及ぼす共動密度とその影響を定量化すること。
• これらの密度をクォーク-グルーオンプラズマの臨界密度および小スケール系における集団的効果と比較すること。

提案手法

• 衝突で生成される共動ハドロンとの最終状態相互作用によって $J/\psi$ および $\psi(2S)$ の抑制をモデル化すること。
• $c\bar{c}$ ダイレクトが核物質中を伝播する間に、ソフトハドロン（共動粒子）と相互作用する共動シナリオを用いること。
• 初期の共動密度を、衝突の重なり面積に正規化して、p+Pb（5.02 TeV）で $\rho^{co} \approx 4$ fm$^{-2}$、d+Au（200 GeV）で $\approx 2.5$ fm$^{-2}$ と推定すること。
• 3次元共動密度を $\rho^{co}(\tau) = \rho^{co}/\tau$ で計算し、$\tau_0 = 1$ fm とすると、p+Pb で $\sim 4$ fm$^{-3}$、d+Au で $\sim 2.5$ fm$^{-3}$ となる。
• これらの密度を、クォーク-グルーオンプラズマ形成の臨界密度（$T_c \approx 170-190$ MeV 時に $\sim 2.6-3.75$ fm$^{-3}$）と比較すること。
• チャーモニウム状態の形成時間が長いため、高エネルギー領域で $c\bar{c}$ 状態が核を通過中に分解できないことから、共動相互作用が核子吸収を上回ることが主張される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 励起状態 $\psi(2S)$ は、より大きく結合定数が弱いにもかかわらず、なぜ高エネルギー陽子-核子衝突で $J/\psi$ よりも強く抑制されるのか？
• RQ2 なぜ従来の核子吸収説は、RHIC や LHC のエネルギー領域で失敗するのか？
• RQ3 最終状態の共動ハドロンとの相互作用が、p+Pb や d+Au といった小スケール系における観測された抑制パターンを説明できるか？
• RQ4 高多重度陽子-核子衝突における初期の共動密度は何か？ また、クォーク-グルーオンプラズマの臨界密度と比較するとどうなるか？
• RQ5 これらの衝突における高密度の共動ハドロン媒体は、クォーカンマ状態に顕著な最終状態効果を引き起こすのに十分か？

主な発見

• p+Pb（5.02 TeV）および d+Au（200 GeV）衝突において、$\psi(2S)$ の抑制が $J/\psi$ よりも顕著に強く、高エネルギー領域における核子吸収説の予測とは反対の結果である。
• ローレンツブーストにより、中間および前方の迅速度領域では、チャーモニウムの形成時間が核半径を上回るため、$c\bar{c}$ ダイレクトは核を通過中に分解できず、核子吸収が微分的メカニズムとして無効になる。
• 共動密度は、p+Pb で $\sim 4$ fm$^{-2}$、d+Au で $\sim 2.5$ fm$^{-2}$ と推定され、$\tau_0 = 1$ fm 時に 3次元密度はそれぞれ $\sim 4$ fm$^{-3}$ および $\sim 2.5$ fm$^{-3}$ となる。
• これらの共動密度は、クォーク-グルーオンプラズマ形成の臨界密度（$\sim 2.6-3.75$ fm$^{-3}$）に近づいており、一時的な高密度物質状態を示唆する。
• 共動シナリオは、$\psi(2S)$ の空間的サイズが大きいことから、共動媒体との相互作用確率が高くなるため、その強化された抑制を自然に説明できる。
• このモデルは実験データと整合しており、小スケール系における近側リッジおよびクォーカンマ抑制の集団的流れやカラーレンズコンデンゲート説明の代替として有効である。