[論文レビュー] Measurement of beauty production via non-prompt ${ m D}^{0}$ mesons in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 5.02 TeV

ALICE Collaboration|Publication Server of Goethe University Frankfurt am Main (Goethe University Frankfurt)|Feb 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、LHCのALICE実験を用いて、√sNN = 5.02 TeVのPb–Pb衝突において、ベータハドロン崩壊によって生成される非プロンプトD⁰メソンを測定した。中心的衝突においてベータ生成が顕著に抑制され（最大で3倍程度）、pT > 4 GeV/cの領域で非プロンプト対プロンプトD⁰メソンのRAA比が1を超えることが判明した。これは、デッドコーン効果により重いベータクォークのエネルギー損失が抑制されることを予測するモデルと整合的である。

ABSTRACT

The production of non-prompt ${ m D}^{0}$ mesons from beauty-hadron decays was measured at midrapidity ($\left| y ight| < 0.5$) in Pb-Pb collisions at a nucleon-nucleon center-of-mass energy of $\sqrt{s_{ m NN}}=5.02~\mathrm{TeV}$ with the ALICE experiment at the LHC. Their nuclear modification factor ($R_{ m AA}$), measured for the first time down to $p_{ m T}=1~\mathrm{GeV}/c$ in the $0-10$% and $30-50$% centrality classes, indicates a significant suppression, up to a factor of about three, for $p_{ m T} > 5~\mathrm{GeV}/c$ in the $0-10$% central Pb-Pb collisions. The data are described by models that include both collisional and radiative processes in the calculation of beauty-quark energy loss in the quark-gluon plasma, and quark recombination in addition to fragmentation as a hadronisation mechanism. The ratio of the non-prompt to prompt ${ m D}^{0}$-meson $R_{ m AA}$ is larger than unity for $p_{ m T} > 4~\mathrm{GeV}/c$ in the $0-10$% central Pb-Pb collisions, as predicted by models in which beauty quarks lose less energy than charm quarks in the quark-gluon plasma because of their larger mass.

研究の動機と目的

• √sNN = 5.02 TeVにおけるPb–Pb衝突におけるベータハドロン崩壊からの非プロンプトD⁰メソン生成を測定すること。
• 0–10%および30–50%の中心性クラスにおいて、pT = 1 GeV/cまで降下する非プロンプトD⁰メソンの核物質修正因子（RAA）を決定すること。
• 非プロンプトおよびプロンプトD⁰メソンのRAAを比較することで、クォーク–グルーオンプラズマ（QGP）内におけるベータクォークのエネルギー損失を調査すること。
• 衝突的および放射的エネルギー損失に加え、ハドロン化におけるクォーク再結合を含む理論モデルを実験データと照合して検証すること。

提案手法

• LHCのALICE検出器を用いて、K⁻π⁺π⁻への崩壊を介して非プロンプトD⁰メソンを再構築した。
• √sNN = 5.02 TeVのPb–Pb衝突において、中間ラピディティ（|y| < 0.5）でのpT微分断面積を測定した。
• 核物質修正因子RAAを、Pb–Pb衝突におけるD⁰メソンyieldとpp衝突を⟨TAA⟩でスケーリングした比として計算した。
• QGP内におけるベータクォークの衝突的および放射的エネルギー損失を組み込んだモデルを用いた。
• 非プロンプトD⁰メソンのRAAとプロンプトD⁰メソンのRAAを比較し、質量依存のエネルギー損失を調査した。
• モデル比較において、コールド核物質効果およびハドロン化メカニズムを考慮した。

Figure 1: Invariant-mass distributions for $\rm D^{0}$ candidates in selected $p_{\rm T}$ intervals for the centrality class 0–10% and 30–50%. Fitted values for the $\rm D^{0}$ meson mass $\mu$ , width $\sigma$ , and raw yield $S$ are also given, the fraction of $\rm D^{0}$ candidates in the measure

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pT > 1 GeV/cの領域において、非プロンプトD⁰メソンを用いたクォーク–グルーオンプラズマ内におけるベータクォークの抑制パターンはいかなるものか？
• RQ2 中心的Pb–Pb衝突において、非プロンプトD⁰メソンのRAAはプロンプトD⁰メソンのRAAと比べてどのように異なるか？
• RQ3 放射的および衝突的エネルギー損失に加え、クォーク再結合を含む理論モデルが観測されたRAAをどの程度正確に記述できるか？
• RQ4 高pT領域で観測されたRAA > 1は、ベータクォークがチャームクォークよりもQGP内でエネルギー損失が小さいという予測を支持するか？
• RQ5 コールド核物質効果およびハドロン化メカニズムは、重イオン衝突におけるベータクォークエネルギー損失の解釈にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 0–10%中心性のPb–Pb衝突において、非プロンプトD⁰メソンの核物質修正因子RAAは、pT > 5 GeV/cの領域で最大で約3倍の顕著な抑制を示した。
• 0–10%中心性の領域において、pT > 4 GeV/cの領域で非プロンプトD⁰メソンのRAAが1を超えた。これは、プロンプトD⁰メソンよりも抑制が小さいことを示している。
• 観測された非プロンプト対プロンプトRAA比が1を超える現象は、デッドコーン効果によりベータクォークのエネルギー損失が抑制されることを予測する理論モデルと整合的である。
• QGP内におけるベータクォークの衝突的および放射的エネルギー損失を組み込んだモデルは、観測データをよく再現している。
• ハドロン化過程としてクォーク再結合を組み込んだモデルは、真空中のフラグメンテーションのみを仮定するモデルよりも、データをよりよく記述している。
• 抑制パターンおよびRAAの挙動は、ベータクォークがチャームクォークよりもエネルギー損失が小さいことを支持しており、主に質量が大きく、小角度領域でのグルーオン放射が抑制されるためである。

Figure 2: Top panel: non-prompt $\rm D^{0}$ -meson $p_{\rm T}$ -differential production yields in Pb–Pb collisions at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}~{}=~{}5.02$ TeV in the 0–10% and 30–50% centrality classes. The pp reference spectra, $\left\langle T_{\rm AA}\right\rangle\times{\rm d}\sigma_{\rm pp}/{\rm d