[論文レビュー] How To Find Charm in Nuclear Collisions at RHIC and LHC

Sean Gavin, P. L. McGaughey+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 1996

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 32

ひとこと要約

この論文は、RHICおよびLHCエネルギーにおける核-核衝突における、charmクォーク対崩壊およびDrell-Yan過程からの次-leading-order (NLO) 微小QCD寄与を計算し、2 GeV以上の質量領域では、熱的双レプトン背景よりもcharm生成が1個以上のオーダー以上に支配的であることを明らかにした。これにより、熱的信号を分離し、核標的にてグルーオンシャドウイングの情報を抽出するため、迅速性ギャップカットと同符号減算が不可欠となる。

ABSTRACT

Measurements of dilepton production from charm decay and Drell-Yan processes respectively probe the gluon and sea quark distributions in hadronic collisions. In nucleus-nucleus collisions, these hard scattering processes constitute a `background' to thermal contributions from the hot matter produced by the collision. To determine the magnitude and behavior of this background, we calculate the hard scattering contribution to dilepton production in nuclear collisions at RHIC and LHC at next to leading order in perturbative QCD. Invariant mass, rapidity and transverse momentum distributions are presented. We compare these results to optimistic hydrodynamic estimates of the thermal dilepton production. We find that charm production from hard scattering is by far the dominant contribution. Experiments therefore can measure the gluon distribution in the nuclear target and projectile and, consequently, can provide new information on gluon shadowing. We then illustrate how experimental cuts on the rapidity gap between the leptons can aid in reducing the charm background, thereby enhancing thermal information.

研究の動機と目的

• RHICおよびLHCにおける核衝突における、charmクォーク対崩壊およびDrell-Yan過程からのハード散乱背景を定量化すること。
• 支配的であるcharmおよびDrell-Yan背景の中でも、熱的双レプトン信号を分離する可能性を評価すること。
• 核シャドウイングが核-核衝突における初期のcharmおよびDrell-Yan生成率に与える影響を評価すること。
• 具体的には、迅速性ギャップカットと同符号減算といった実験的戦略を提案し、charm背景を抑制し、熱的信号検出を強化すること。
• 双レプトン測定を通じて、核内の低xグルーオン分布を抽出し、グルーオンシャドウイングに関する新たな知見を提供すること。

提案手法

• pp、Au+Au、Pb+Pb衝突における、$\sqrt{s}\to = 200$ GeVおよび5.5 TeVの下での双レプトン生成について、次次-leading-order (NLO) 微小QCD計算を実施。
• 2種類の核子パートン分布関数 (nPDF) パラメータ化を用いる：1つは$F_2$ 構造関数比に基づくもの、もう1つは$Q^2$-依存の進化とグルーオン再結合を含むもの。
• バリオン数分布、海クォーク分布、グルーオン分布それぞれに対して、$R_V(x,\nu)$、$R_S(x,\nu)$、$R_G(x,\nu)$ の修正関数を用いて核シャドウイングを適用。
• $Q\overline{Q}$、Drell-Yan、$B\overline{B}$崩壊寄与による双レプトン連続体の、不変質量、横運動量、迅速性分布を計算。
• NLO結果を、熱的双レプトン生成率の楽観的水準のハイドロダイナミクス的推定値と比較し、背景の優位性を評価。
• 相関のないcharm双レプトン対の抑制効果と、熱的信号の保持に及ぼす迅速性ギャップカットおよび同符号減算の有効性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央部のAu+AuおよびPb+Pb衝突における、charmクォーク対崩壊寄与は、RHICおよびLHCで双レプトン生成にどの程度寄与するか？
• RQ2 核シャドウイングは、核-核衝突における初期のcharmクォークおよびDrell-Yan対生成率にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 迅速性ギャップ選択は、支配的であるcharm背景を効果的に抑制しつつ、熱的双レプトン信号を保持できるか？
• RQ4 相関のないcharm双レプトン対の、原始的双レプトン連続体に及ぼす定量的影響は何か？ また、同符号減算によって除去可能か？
• RQ5 RHICおよびLHCにおける双レプトン測定は、核内の低xグルーオン分布およびグルーオンシャドウイングに関する情報を抽出するのに利用可能か？

主な発見

• charmクォーク対崩壊は、$Υ$質量未満の双レプトン連続体を支配し、RHICおよびLHCの両方で$M > 2$ GeV領域において、楽観的熱的双レプトン率を1個以上のオーダー以上に上回る。
• RHICにおける中央部のAu+Au衝突では、1イベントあたり最大67個の相関のないcharm双レプトン対が生成されるが、LHCにおけるPb+Pb衝突では、この連続体に3000個を超える同様の対が寄与する。
• Drell-Yan寄与は核シャドウイングによって著しく減少するが、特に低$M$および低$p_T$領域で顕著であり、それでもcharm生成に比べて劣勢のままである。
• charm崩壊対が通常大きな迅速性ギャップを示すという観察に基づく迅速性ギャップカットは、相関のあるcharm背景を効果的に抑制し、熱的双レプトン信号の可視性を向上させる。
• PHENIX（RHIC）およびALICE（LHC）のような検出器の有限な受容域は、自然に迅速性ギャップフィルタとして機能し、熱的charm崩壊の信号対背景比をさらに高める。
• 不確実性が存在するが、NLOアプローチは任意のK要因を必要とせず、理論的不確実性が明確に定義されており、双レプトンデータから核子パートン分布を抽出するのに適している。