[論文レビュー] Non-perturbative Heavy-Flavor Transport at RHIC and LHC

M. He, Rainer J. Fries+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2012

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、RHICおよびLHCにおける相対論的重イオン衝突における重クォーク輸送の非摂動的枠組みを提示する。これは、クォーク-グルーオンプラズマ（QGP）における重クォーク拡散を強い結合T行列式で、ハドロン相におけるメソン拡散を有効ハドロン理論で扱う。本研究は、フラバー分離された非光子的電子スペクトルおよびD/Bメソン観測量を成功裏に予測し、核子形成とハドロン拡散が、特にTc近辺の charm クォークにおいて、楕円流を顕著に増幅させ、抑制パターンを変化させることを示している。

ABSTRACT

We calculate open heavy-flavor (HF) transport in relativistic heavy-ion collisions by applying a strong-coupling treatment in both macro- and microscopic dynamics (hydrodynamics and non-perturbative diffusion interactions). The hydrodynamic medium evolution is quantitatively constrained by bulk and multi-strange hadron spectra and elliptic flow. The heavy quark (HQ) transport coefficient is evaluated from a non-perturbative $T$-matrix approach in the Quark-Gluon Plasma (QGP) which, close to the critical temperature, leads to resonance formation and feeds into the recombination of heavy quarks on a hydrodynamic hypersurface. In the hadronic phase, the diffusion of HF mesons is obtained from effective hadronic theory. We compute observables at RHIC and LHC for non-photonic electrons and HF mesons, respectively.

研究の動機と目的

• 量子色力学（QCD）の摂動的扱いでは記述できない重クォーク拡散を、クォーク-グルーオンプラズマ（QGP）およびハドロン媒体内での非摂動的輸送を扱う枠組みを構築すること。
• RHICにおける非光子的電子の大きな抑制と顕著な楕円流が、一次のpQCDでは説明できないことに対応し、その理由を解明すること。
• RHICにおけるフラバー分離された非光子的電子スペクトルおよびLHCにおけるD/Bメソン観測量を予測し、近い将来の実験データとの比較を可能にすること。
• 巨視的流体力学的進化と微視的非摂動的散乱ダイナミクスを一貫して統合し、再結合における熱平衡の極限が尊重されるようにすること。

提案手法

• QGP内における重クォーク-軽クォークおよび重クォーク-グルーオン散乱の非摂動的T行列形式から導かれた輸送係数を用いた相対論的ランジュバンアプローチを採用する。
• Tc = 170 MeVにおける媒体中クォークおよびメソン質量を用い、閾値近辺での共鳴形成が、pQCDに比べて3〜5倍の緩和率を高める。
• 流体力学的超曲面上での熱的軽クォークとの共鳴再結合によるハドロン化を実装し、核子形成確率をT行列散乱率に関連付ける。
• DおよびBメソンのハドロン相におけるランジュバンシミュレーションを、有効ハドロン散乱断面積を用いて継続的に行い、ボトムクォークにはスケーリングを適用する。
• バルクおよびマルチストレンジハドロンスペクトルおよび楕円流データを用いて、格子QCDと化学的平衡モデルを組み合わせたハイブリッド状態方程式で流体力学的媒体の進化を制約する。
• 初期状態のHQスペクトルにはFONLL pQCDスペクトルとEPS09シャドーイングを適用し、その後、全輸送フレームワークを用いて媒体中を進化させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QGP内における非摂動的重クォーク拡散が、RHICにおける非光子的電子の抑制および楕円流に与える影響は何か？
• RQ2 Dメソンの最終的v2およびRAAに、熱的軽クォークとの核子形成およびハドロン相内拡散がどの程度寄与しているか？
• RQ3 LHCにおける観測されたDメソンRAAがpQCDベースのモデルよりも高いのはなぜか？これは、運動量依存の緩和率によって説明可能か？
• RQ4 ボトムクォークの質量が大きいことにより、その熱平衡化および抑制挙動がcharmクォークとどのように異なるか？
• RQ5 この非摂動的枠組み内で、Bメソンの輸送およびハドロン化を用いて、LHCにおける非プロンプトJ/ψの抑制を一貫して説明できるか？

主な発見

• charmクォークのRAAは、QGP拡散と再結合効果の両方が作用するため、pt ≈ 1.5 GeVで「フローブーム」を示し、pt ≈ 2 GeVでv2が約8％に達する。
• ボトム電子はpt ≈ 5 GeV未満ではcharm電子よりも抑制が小さいが、mb/mq比が大きいことから、より高いptでv2が飽和する。
• DメソンのRAAはALICEデータに比べてわずかに高めに予測されるが、pT形状はよく再現されており、主に非摂動的緩和率の低下する運動量依存性に起因する。
• Dメソンのv2は、ハドロン相内拡散によって最大20％まで増幅され、核子形成とQGP拡散がそれぞれ最終v2の約半分を占める。
• BメソンのRAAはpt > 10 GeVで約0.4に達し、v2は最大5％に達する。これはDメソンに比べて集団的性が低く、CMSによる非プロンプトJ/ψ抑制（pt ≈ 9.3 GeVで約0.37）と整合的である。
• モデルは、DおよびBメソンの観測量が非摂動的効果によって顕著に影響を受けることを予測しており、特にハドロン相内拡散が最終スペクトルの形を決定づける非可視的寄与を果たしている。