[論文レビュー] On the Evolution of Jet Energy and Opening Angle in Strongly Coupled Plasma

Paul M. Chesler, Krishna Rajagopal|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2015

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、N=4 SYM理論におけるホログラフィック双対性を用いて、強い結合プラズマにおけるジェットエネルギー損失および角度の時間発展を研究している。ゲージ理論において重力双対を適用する前に、ジェットエネルギー損失率と開口角を直接定義することで、普遍的なスケーリング則が導かれる。同じ初期開口角と軌道を持つジェットは、初期エネルギーにかかわらず、同じ割合でエネルギーを損失する。これは、ジェットの熱平衡化ダイナミクスにおける顕著な普遍性を示している。

ABSTRACT

We calculate how the energy and the opening angle of jets in ${\cal N}=4$ SYM theory evolve as they propagate through the strongly coupled plasma of that theory. We define the rate of energy loss $dE_{ m jet}/dx$ and the jet opening angle in a straightforward fashion directly in the gauge theory before calculating both holographically, in the dual gravitational description. In this way, we rederive the previously known result for $dE_{ m jet}/dx$ without the need to introduce a finite slab of plasma. We obtain a striking relationship between the initial opening angle of the jet, which is to say the opening angle that it would have had if it had found itself in vacuum instead of in plasma, and the thermalization distance of the jet. Via this relationship, we show that ${\cal N}=4$ SYM jets with any initial energy that have the same initial opening angle and the same trajectory through the plasma experience the same fractional energy loss. We also provide an expansion that describes how the opening angle of the ${\cal N}=4$ SYM jets increases slowly as they lose energy, over the fraction of their lifetime when their fractional energy loss is not yet large. We close by looking ahead toward potential qualitative lessons from our results for QCD jets produced in heavy collisions and propagating through quark-gluon plasma.

研究の動機と目的

• ホログラフィック双対性を用いて、強い結合プラズマにおけるジェットエネルギーおよび開口角の時間発展を理解すること。
• 人工的な有限プラズマ層を避けるために、ゲージ理論においてジェットエネルギー損失率と開口角を直接定義すること。
• 初期開口角に基づくジェット熱平衡化の普遍的スケーリング則を特定すること。
• 重イオン衝突におけるQCDジェットクエンチングへの示唆を検討すること。

提案手法

• 重力双対を用いて、双対な重力記述におけるストレステンソル ⟨Tμν⟩ を計算する。
• ゲージ理論における空間的積分を用いて、ストレステンソルからジェットエネルギーと運動量を抽出する。
• 横方向エネルギー分布 Φ(x, x⊥) の半値全幅を用いて、ジェットの開口角を定義する。
• ゲージ理論のストレステンソルから直接、エネルギー損失率 dE_jet/dx を計算する。
• エネルギー損失の初期段階に有効な摂動的展開を用いて、開口角の時間発展を分析する。
• 質量のないクォークジェットを、初期サイズが無限に小さい落下する開口ストリングの重力双対を用いてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い結合プラズマ中におけるエネルギー損失率 dE_jet/dx は、初期開口角にどのように依存するか？
• RQ2 ジェットの熱平衡化距離は、初期エネルギーとは無関係に、その初期開口角と軌道にのみ依存するか？
• RQ3 ジェットがプラズマ中を伝播する間にエネルギーを失う過程で、開口角はどのように変化するか？
• RQ4 小角度近似において、初期ジェット質量と初期開口角の関係は何か？
• RQ5 N=4 SYMのジェットダイナミクスから得られる定性的な知見は、クォーク・グルーオンプラズマ中のQCDジェットにどのように応用できるか？

主な発見

• 同じ初期開口角と軌道を持つジェットは、初期エネルギーにかかわらず、同じ割合でエネルギーを損失する。これは普遍的スケーリング則によるものである。
• ジェットの熱平衡化距離は、初期エネルギーとは無関係に、初期開口角と軌道にのみ依存する。
• ジェットの開口角は時間とともにゆっくりと増加し、初期エネルギー損失段階では摂動的展開でその時間発展を記述できる。
• 初期ジェット質量は M_init / E_init ∼ (θ_jet^init)^{3/4} に比例する。これは、狭いジェットに対しても大角度方向に顕著なエネルギーフラックスが存在することを示している。
• 横方向エネルギー分布の半値全幅を用いた開口角の定義は、質量に基づく定義よりも物理的に望ましい。これは、大 x⊥ の尾部に敏感であるためである。
• 本研究の結果は、先行研究で得られた分解可能なクォークおよびグルーオンジェット間の最小角度分離のパラメトリック依存性を再現しており、モデルの整合性を裏付けている。