[論文レビュー] Highlights from BNL-RHIC

M. J. Tannenbaum|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2012

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ブルークヘン国立研究所の相対論的重イオン衝突装置（RHIC）における主な発見とアップグレードを要約し、強い相互作用を示すクォーク-グルーオンプラズマ（sQGP）の発見と、極端な条件下における量子色力学（QCD）の探査におけるRHICの役割を強調している。また、色電荷を持つ媒体中でクォーク質量がヒッグス機構由来でない可能性を検証する仮説を提示し、QGP内でのフラバー依存の質量効果を検出するために、重クォークジェット相関を用いる。

ABSTRACT

Highlights from Brookhaven National Laboratory (BNL) and experiments at the BNL Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) are presented for the years 2011--2013. This review is a combination of lectures which discussed the latest results each year at a three year celebration of the 50th anniversary of the International School of Subnuclear Physics in Erice, Sicily, Italy. Since the first collisions in the year 2000, RHIC has provided nucleus-nucleus and polarized proton-proton collisions over a range of nucleon-nucleon c.m. energies from 7.7 to 510 GeV with nuclei from deuterium to uranium, most often gold. The objective was the discovery of the Quark Gluon Plasma, which was achieved, and the measurement of its properties, which were much different than expected, namely a `perfect fluid' of quarks and gluons with their color charges exposed rather than a gas. Topics including quenching of light and heavy quarks at large transverse momentum, thermal photons, search for a QCD critical point as well as measurements of collective flow, two-particle correlations and $J/Ψ$ suppression are presented. During this period, results from the first and subsequent heavy ion measurements at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN became available. These confirmed and extended the RHIC discoveries and have led to ideas for new and improved measurements.

研究の動機と目的

• RHICにおけるクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）研究における実験的・理論的進展を要約すること。
• EBISインジェクターやストキャスティック冷却を含むRHIC施設のアップグレードを提示し、光度およびビーム品質の向上を強調すること。
• クォーク質量が普遍的なヒッグス機構に由来するのではなく、色電荷を持つ媒体内で動的に生成される可能性を検証する新しいテストを提唱すること。
• QGP内での軽クォークと重クォークの抑制が等しくなるという事実が、基礎物理学に与える意味、特に「変容的発見」の可能性を検討すること。

提案手法

• PHENIXおよびSTAR実験のデータを用い、直接的光子および重クォーク相関を研究する。
• 新規PHENIX VTXデティクタを用いたイベントごとの二ハドロン相関を用い、b-bおよびc-c二ジェットを特定する。
• 重クォークジェットのxE分布の傾きを分析し、クォークフラバーごとのエネルギー損失の差を検出する。
• 直接的電子および光子の抑制パターン（RAA）と流れ（v2）を比較し、媒体との相互作用を調べる。
• LHCにおけるPb+Pb QGPを通過する陽子ビーム実験を提案し、ニノの仮説（フラバー依存の質量生成）を検証する。
• LHCがヒッグス粒子のb-b崩壊を検出できる能力を活用し、提案されたメカニズムの反証テストを行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QGPは強い相互作用を示す液体として振る舞うのか？ これはクォーク-グルーオン物質の性質に何を意味するのか？
• RQ2 なぜ軽クォークと重クォーク（c, b）は、放射的エネルギー損失の予想とは反して、QGP内で同じ程度に抑制されるのか？
• RQ3 クォーク質量が色電荷を持つ媒体内で動的に生成される可能性はあり得るのか？ これによりヒッグス機構の普遍性が問い直されるのか？
• RQ4 イベントごとの二ジェット相関測定は、QGP内でのフラバー依存のエネルギー損失を明らかにできるか？
• RQ5 すべてのクォークがQGP内でほぼ質量ゼロであるとすれば、その意味は何か？ そして、これを実験的にどのように検証できるか？

主な発見

• RHICで生成されたQGPは強い集団的流れと熱放射を示し、1 ≤ pT ≤ 3 GeV/c範囲で直接的光子が大きなv2（≈ π0 v2）を示しており、流れている媒体からの熱放射を示している。
• 重クォーク（c, b）はpT > 4 GeV/cで軽クォーク（π0）と同等の抑制（RAA）を示しており、重クォークの抑制が予想ほど小さいというQCDエネルギー損失モデルとは矛盾する。
• 直接的光子のv2は大きく、パイオンと同等であるため、熱的光子が強い相互作用を示す流れている媒体から生成されていることが確認された。
• PHENIX VTXデティクタにより、b-bおよびc-c二ジェット相関の正確なイベントごとの再構成が可能となり、フラバー依存のエネルギー損失の詳細な研究が可能になった。
• QGPを通過する陽子ビーム実験により、ニノの仮説（クォーク質量がヒッグス由来ではなく、媒体の色電荷に依存する）を反証または確認できる。
• これが確認されれば、クォーク質量が普遍的ではなく、QGP内で動的に生成される可能性を示す「変容的発見」となるだろう。