[論文レビュー] Heavy flavors under extreme conditions in high energy nuclear collisions

Jiaxing Zhao, Kai Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、高エネルギー核反応におけるクォーク- gluonプラズマ（QGP）のプローブとしての重いフレーバーを調査し、輸送モデルと凝集モデルを用いて極限的状態下での挙動を分析する。重いフレーバーの横運動量に依存する核修正因子—特に硬い成分の抑制と柔らかい成分の再生—がQGP形成の主要なシグネチャーであることを示し、強い電磁場および回転場がクォークハドロン生成および流れにさらに影響を与える。

ABSTRACT

Heavy flavor hadrons have long been considered as a probe of the quark gluon plasma created in high energy nuclear collisions. In this paper we review the heavy flavor properties under extreme conditions and the realization in heavy ion experiments. After a short introduction on heavy flavor properties in vacuum, we emphasize the cold and hot nuclear matter effects on heavy flavors, including shadowing effect, Cronin effect and nuclear absorption for the former and Debye screening and regeneration for the latter. Then we discuss, in the frame of transport and coalescence models, these medium induced changes in open and closed heavy flavors in nuclear collisions and the comparison with nucleon-nucleon collisions. Considering the extremely strong electromagnetic and rotational fields generated in non-central nuclear collisions, which are widely studied in recent years, we finally investigate their effects on heavy flavor production and evolution in high energy nuclear collisions.

研究の動機と目的

• 高エネルギー核反応で形成されるクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）を、重いフレーバーはドライビング要因としてどのように探査するかを理解すること。
• オープンおよびクローズド重いフレーバーに及ぼす冷核物質効果（シャドウイング、クロニン効果、核吸収）およびホット核物質効果（デバイ屏蔽、再生）を調査すること。
• 非対称核反応における強い電磁場および回転場が、重いフレーバー生成および進化に与える影響を検討すること。
• 輸送モデルおよび凝集モデルが、A+A、p+p、およびp+A反応における重いフレーバー観測量を定量的に記述できるかを特定すること。
• 横運動量分布および核修正因子がQGP形成および物質特性にどのように敏感であるかを評価すること。

提案手法

• 衝突によるエネルギー損失および放射エネルギー損失を含む輸送モデルを用いて、QGP内での重クォークの進化をシミュレートする。
• 統計的ハドロン化モデルおよび凝集メカニズムを適用し、重クォークのオープンおよびクローズド重いフレーバーへのハドロン化を記述する。
• 解体および再生項を含む連立輸送方程式を用い、冷核物質効果によって修正された初期条件を設定する。
• スピン-磁気相互作用、ポテンシャルの歪み、および超並進周辺衝突における光生成を介して、電磁場効果をクォークハドロンにモデル化する。
• 傾いた流体力学方程式と重クォークの輸送方程式を結合することで、回転場の形式を拡張する。
• 連立方程式系を解き、さまざまな衝突系における核修正因子および楕円流れなどの観測量を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シャドウイング、クロニン効果、核吸収といった冷核物質効果が、核反応における初期重クォーク生成にどのように影響を与えるか？
• RQ2 QGP内でのデバイ屏蔽および再生が、オープンおよびクローズド重いフレーバーの最終状態分布にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 RHICおよびLHCエネルギーにおける横運動量依存性を持つ核修正因子の挙動が、QGP存在および再生効果をどのように示唆するか？
• RQ4 強い電磁場および回転場が、非対称核反応における重クォーク対の力学的挙動およびクォークハドロン生成に与える影響は何か？
• RQ5 電気伝導度および場の寿命が、電磁場が重いフレーバーの進化に持続的かつ観測可能な影響を与える要因にどのように寄与するか？

主な発見

• クォークハドロンの平均横運動量二乗の核修正因子は、SPSでは1より大きい状態から、RHICでは約1、LHCでは1より小さい状態に移行し、抑制から再生の支配へのシフトを示唆する。
• クォークハドロンの再生が、横運動量分布の柔らかい成分を強化し、より高いエネルギーで支配的になる。これはQGP形成の明確なシグネチャーである。
• 電磁場はクォークハドロンのスイング状態とトリプレット状態の間でスピン混合を引き起こし、クォーク磁気モーメントによるクォークハドロン質量のシフトをもたらし、質量スペクトルに測定可能な影響を与える。
• 電磁場による重クォークポテンシャルの歪みが、大きな横運動量領域で顕著な楕円流れを生じさせ、高エネルギー衝突で観測可能である。
• 超並進周辺衝突では、純粋な電磁相互作用により低横運動量領域で$J/\bar{\psi}$の大幅な増幅が観測され、特に$\psi(2S)$チャネルで顕著である。
• QGP内の高い電気伝導度により、電磁場の寿命が延長され、場の崩壊前に重いフレーバー観測量に測定可能な影響を与える。