[論文レビュー] Probing the Frontiers of QCD

W. A. Horowitz|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2010

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 331被引用数 8

ひとこと要約

本学位論文は、クォーク-グルーオンプラズマ（sQGP）を調べるために、重イオン衝突におけるジェットクエンチングおよび方位的非対称性を調査する。強い抑制（$R_{AA}$）にもかかわらず大きな $v_2$ を示す部分的なジェットの原因を説明するための集光メカニズムを提唱し、衝突的エネルギー損失と経路長のフラクチュエーションを組み込むことで、実験データとの一致が向上することを示している。主な結果として、charmとbottomのクォークの抑制の運動量依存比 $R^{cb}(p_T)$ は、摂動的QCDとAdS/CFTに基づくエネルギー損失モデルを明確に区別する強力な実験的テストである。

ABSTRACT

With the energy scales opened up by RHIC and LHC the age of high-pT physics is upon us. This has created new opportunities and novel mysteries, both of which will be explored in this thesis. The possibility now exists experimentally to exploit these high momentum particles to uniquely probe the unprecedented state of matter produced in heavy ion collisions. At the same time naive theoretical expectations have been dashed by data. The first puzzle we confront is that of the enormous intermediate-pT azimuthal anisotropy, or v2, of jets observed at RHIC. The second puzzle is the surprisingly similar suppression of light mesons and nonphotonic electrons, which precludes perturbative predictions predicated on gluon bremsstrahlung radiation as the dominant energy loss channel. Near qualitative agreement results from including collisional energy loss and integrating over the fluctuating jet pathlengths. Another conjecture for heavy quark energy loss comes via explicit construction using the AdS/CFT correspondence; the momentum loss of a hanging dragging string moving through the deconfined plasma leads to qualitative agreement with heavy quark decay data. We propose a robust test to experimentally differentiate these two competing ideas: the ratio of charm to bottom suppression rapidly approaches 1 for pQCD but is independent of momentum and well below 1 for AdS/CFT. Finally as a warmup problem to calculating the photon bremsstrahlung associated with jet energy loss we quantify improvements to the perturbative estimates of the Ter-Mikayelian effect.

研究の動機と目的

• 強い抑制（$R_{AA}$）にもかかわらず中程度の $p_T$ におけるジェットの方位的非対称性（$v_2$）が顕著に大きいという矛盾を解消し、標準的なエネルギー損失モデルとは異なるメカニズムを解明すること。
• グルーオンのブレムストラール散乱に基づく摂動的QCD予測に反して、軽いメソンと非光子的電子の抑制が類似していることを説明すること。
• 摂動的QCDとAdS/CFTに基づくエネルギー損失メカニズムを、重クォーク $R_{AA}$ データを用いて実験的に区別するための観測可能量を提案し、その妥当性を検証すること。
• 遠方側ジェットからの干渉項を含め、低運動量発散を正則化することで、光子ブレムストラール放射の摂動的推定値を改善すること。
• ジェットトモグラフィーにおける理論的不確実性を評価し、今後の高精度なモデル化に向けた重要な近似領域を同定すること。

提案手法

• 脱コンfinement状態にあるクォーク-グルーオンプラズマ内で、$v_2$ を増幅させつつエネルギー損失を低減する集光メカニズムを提唱し、観測された $v_2$-$R_{AA}$ のパターンを説明する。
• 衝突的エネルギー損失とジェット経路長のフラクチュエーションを統合したモデルを構築し、軽いメソンと非光子的電子の $R_{AA}$ 値が類似していることの定性的な一致を実現する。
• AdS/CFT対応を用いて、熱的プラズマ背景における引きずられるストリングを用いて重クォークエネルギー損失をモデル化し、運動量依存の $R_{AA}$ を得る。
• 古典的および量子場の理論的手法を用いて、重クォークからの光子ブレムストラール放射を導出し、遠方側ジェットからの干渉項を含める。
• 完全な反動計算の結果と簡略化された近似との比較を行い、従来の導出で無視された項の重要性を強調する。
• 摂動的QCD（高 $p_T$ で1に近づく）とAdS/CFT（定数で約0.2）の予測を明確に区別できる運動量依存の観測量として、二重比 $R^{cb}(p_T) = R^{c}_{AA}(p_T)/R^{b}_{AA}(p_T)$ を提唱する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い抑制（$R_{AA}$）にもかかわらず中程度の $p_T$ におけるジェットの方位的非対称性（$v_2$）が顕著に大きいのはなぜか？これは標準的なエネルギー損失モデルと矛盾する。
• RQ2 グルーオンのブレムストラール散乱が主なエネルギー損失機構であるならば、なぜ軽いメソンと非光子的電子の抑制が類似しているのかを説明できるか？
• RQ3 重クォークのエネルギー損失メカニズムとして、摂動的QCDとAdS/CFTモデルを実験的に区別するための観測可能量は何か？
• RQ4 干渉効果と低運動量寄与は、物質中での光子ブレムストラール放射におけるTer-Mikayelian効果にどのように影響を与えるか？
• RQ5 現在のジェットトモグラフィー・モデルにおける理論的不確実性は何か？今後の高精度な研究のためには、どのようにしてそれらの不確実性を最小限に抑えることができるか？

主な発見

• 観測された $v_2$-$R_{AA}$ のパターンは、標準的なエネルギー損失メカニズムでは説明できない。これには、sQGP内での新たな集光メカニズムの導入が不可欠である。
• 衝突的エネルギー損失と経路長のフラクチュエーションを組み込むことで、軽いメソンと非光子的電子の $R_{AA}$ 間の乖離が減少し、データとの定性的一致が向上する。
• 二重比 $R^{cb}(p_T)$ は、AdS/CFTでは運動量に依存せず約0.2に保たれるが、摂動的QCDでは高 $p_T$ で1に近づくため、pQCDとAdS/CFTを明確に区別する強力な実験的テストとなる。
• 遠方側ジェットからの干渉効果は、光子ブレムストラール放射を顕著に減少させ、過去の推定値がこのような項を無視していたことを挑戦する。
• ジェットトモグラフィーにおける理論的精度は、$\alpha_s$ の依存性や摂動的QCD・AdS/CFT近似における未知の運動量カットオフの不確実性によって制限されており、大きな課題である。
• $R^{cb}(p_T)$ 確率は入力パrameterの変動にほとんど影響を受けないため、LHCにおける競合するエネルギー損失モデルを検証するための極めて頑健な観測量である。