[論文レビュー] Quarkonium Production and Medium Effects in High Energy Nuclear Collisions

Kai Zhou, Nu Xu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2013

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、高エネルギー核衝突におけるクォーカーモニュウム生成の感受性の高いプローブとして、平均横運動量二乗の比 $ r_{AA} = \langle p_t^2 \rangle_{AA} / \langle p_t^2 \rangle_{pp} $ を提案する。中間媒体のDebyeスクリーニングと再生を含む、温度依存のDebyeスクリーニングと再生を伴うボルツマン輸送方程式を用いたモデル化により、SPS、RHIC、LHCの各エネルギー領域で $ r_{AA} $ が明確にエネルギー依存する挙動を示すことが示され、統合断面積比に比べてQGPの性質に対する感受性が向上することを示している。

ABSTRACT

Color screening and regeneration are both hot medium effects on quarkonium production in high energy nuclear collisions. However, they affect in an opposite way the finally observed quarkonium spectra. Due to the competition of the two dynamical effects, the ratio of the integrated quarkonium yield between nuclear and elementary nucleon collisions loses its sensitivity. Once the information of quarkonium transverse motion is included, on the other hand, the ratio of averaged transverse momentum square reveals the nature of the QCD medium created in high energy nuclear collisions.

研究の動機と目的

• 高エネルギー核衝突における従来の核修正因子 $ R_{AA} $ が中間媒体のダイナミクスに感受性を示さないという問題を解決すること。
• 色スクリーニング（抑制）と再生（増強）の競合を捉える新しい観測量を同定すること。
• 重イオン衝突におけるクォーカーモニュウムの横運動量ダイナミクスが、RHICおよびLHCエネルギー領域におけるクォーク-グルーオンプラズマ（QGP）の性質をどのように明らかにするかを調査すること。
• 特に再生とDebyeスクリーニングを含む、中間媒体に起因する効果が異なる衝突エネルギーにおけるクォーカーモニュウムスペクトルに与える影響を定量化すること。

提案手法

• 相空間分布 $ f_\Psi(\mathbf{p}, \mathbf{x}, t) $ を用いたボルツマン型輸送方程式を用いてクォーカーモニュウム生成をモデル化し、初期生成と再生を含める。
• 局所温度 $ T(\mathbf{x},t) $ と流れ速度 $ u_\mu(\mathbf{x},t) $ に依存する、損失項 $ \alpha_\Psi $（Debyeスクリーニング）と増加項 $ \beta_\Psi $（再生）を中間媒体効果として組み込む。
• 流体力学的シミュレーションを用いて中間媒体の温度時間変化を決定し、$ T(R_d, y, \tau) = T_d $ を満たす崩壊半径 $ R_d(\tau, y) $ を計算する。
• 重クォークモニュウム束縛状態のシュレーディンガー方程式を解き、$ T_c = 165 $ MeV でスケーリングすることでクォーカーモニュウムの崩壊温度 $ T_d $ を求める。
• A+A衝突とp+p衝突における横運動量ダイナミクスを調べるため、比 $ r_{AA} = \langle p_t^2 \rangle_{AA} / \langle p_t^2 \rangle_{pp} $ を計算する。
• 初期分布に冷たい核物質効果（例えばシャドウイング）を含め、シャドウイング有無の比較により $ r_{AA} $ に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 A+A衝突におけるクォーカーモニュウムの横運動量分布はp+p衝突とどのように異なり、QGPの性質を何を明らかにするか？
• RQ2 Debyeスクリーニングと再生の競合は、$ R_{AA} $ よりも $ r_{AA} $ を用いることでより感受性高くプローブ可能か？
• RQ3 $ r_{AA} $ のエネルギー依存性は、SPS、RHIC、LHCで形成されるQGPの異なる性質をどのように反映するか？
• RQ4 冷たい核物質効果は $ r_{AA} $ にどの程度影響を及ぼし、熱的媒体効果から分離可能か？
• RQ5 なぜLHCでは中央性に伴い $ r_{AA} $ が減少するが、RHICの前方向ラピディティでは増加するのか？再生がこの挙動をどのように説明できるか？

主な発見

• $ r_{AA} = \langle p_t^2 \rangle_{AA} / \langle p_t^2 \rangle_{pp} $ は、SPS、RHIC、LHCの各エネルギー領域で強くエネルギー依存する挙動を示し、異なる衝突エネルギーにおけるQGPの性質を区別可能である。
• LHCエネルギー領域では、$ J/\psi $ の $ r_{AA} $ は1未満であり、より中央的衝突に向かって減少する。これは、熱平衡状態にある重クォークからの再生が支配的であるためである。
• RHICでは、中間ラピディティ領域の $ r_{AA} $ は中央性依存性が弱いが、前方向ラピディティでは1を超えており、$ N_{\text{part}} $ に伴い増加する。これは初期生成が再生を上回っていることを示している。
• $ \Upsilon_{2S} $ の場合、低い崩壊温度のため初期抑制が強く、再生が支配的となり、LHCでの $ r_{AA} $ は非常に小さくなる。
• シャドウイング効果は $ r_{AA} $ にほとんど影響しない。これは正規化された観測量であるためであり、図3の縞模様領域は、シャドウイング有無の差が非常に狭いことを示している。
• 図4に示すRHICおよびLHCにおける $ \Upsilon $ の $ r_{AA} $ は明確なエネルギー依存性を示しており、LHCの値はRHICに比べて顕著に小さい。これは、高エネルギー領域で再生分率が高いことと整合的である。