[論文レビュー] Radiative and Collisional Energy Loss of Heavy Quarks in Deconfined Matter

J. Aichelin, Pol-Bernard Gossiaux+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2012

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、クォーカー・グルーオン・プラズマ（QGP）における重いクォークのエネルギー損失を記述する摂動的QCDモデルを、衝突的および放射的エネルギー損失の両方のメカニズムを含める形で拡張している。コルブ＝ハインツの流体力学的拡張モデルと、動的に固定された赤外正則化子を備えた走る結合定数を用いることで、LHCのPbPbデータにおける$R_{AA}$および$D$-および$B$-メソンの$v_2$をよく再現した。その結果、$R_{AA}$に対しては両方のエネルギー損失チャネルがほぼ同等に寄与しており、放射的損失を含めた場合、高エネルギー$p_T$領域では$R_{AA}$がほとんど平坦なまま保たれることも示された。

ABSTRACT

We extend our recently advanced model on collisional energy loss of heavy quarks in a quark gluon plasma (QGP) by including radiative energy loss. We discuss the approach and present calculations for PbPb collisions at $\sqrt{s}=2.76 TeV$. The transverse momentum spectra, RAA, and the elliptic flow $v_2$ of heavy quarks have been obtained using the model of Kolb and Heinz for the hydrodynamical expansion of the plasma.

研究の動機と目的

• QGPにおける衝突的エネルギー損失の先行モデルを、重いクォークの放射的エネルギー損失を含める形で拡張すること。
• 走る結合定数と動的に固定された赤外正則化子を備えたpQCDベースのモデルが、LHCの重いクォークの$R_{AA}$および$v_2$データを記述できるかどうかを検証すること。
• PbPb衝突における高エネルギー$p_T$領域での観測された抑制および流れの原因として、衝突的および放射的エネルギー損失の相対的寄与度を評価すること。
• さまざまな中央性および$p_T$範囲において、$R_{AA}$および$v_2$の予測能力をモデルが果たすかを評価すること。

提案手法

• QCDにおけるゲージ粒子のブレムストラール放出の行列要素を用いて、衝突的および放射的エネルギー損失を統合。5つのフェ Feynman 図から導かれる3つのゲージ不変な組み合わせを用いた。
• 放射的行列要素はライトコンガウジで計算され、行列要素の二乗$|M_{SQCD}|^2$は横運動量および縦運動量分率の関数として表現された。
• 色因子および運動量的要因は$D^{QCD} = \frac{2}{3}$を用いて取り扱い、高エネルギー極限における行列要素が$x = k^+/p_a^+$の式で導出された。
• 断面積はデータに一致させるためにK因子0.6でスケーリングされ、結果は$dN/dy = 1600$を有するコルブ＝ハインツの流体力学的拡張モデルに埋め込まれた。
• 走る結合定数と、ハード・サーモダイナミクス的ループ（HTL）計算から導かれた赤外正則化子を用いて、より現実的なモデルを実現した。
• シミュレーションにより、中央性ビンおよび$p_T$範囲にわたるcharmおよびbottomクォークの$R_{AA}$および$v_2$が計算され、ALICEのデータと比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衝突的および放射的エネルギー損失の両方を含むpQCDベースのモデルが、PbPb衝突におけるLHCの$R_{AA}$および$v_2$データを再現できるか。
• RQ2 高$p_T$領域における観測された$R_{AA}$抑制に対して、放射的損失と衝突的損失の相対的寄与度はどの程度か。
• RQ3 bottomおよびcharmクォークの$v_2$に差が生じる理由は何か。この差はモデルのダイナミクスで説明可能か。
• RQ4 放射的エネルギー損失を含めると、実験で観測されたように高$p_T$領域で$R_{AA}$が平坦になるか。
• RQ5 放射的過程を含めた場合、モデルのK因子はどのように変化するか。これは相互作用の強さに何を示唆するか。

主な発見

• K因子を0.6として、衝突的および放射的エネルギー損失を両方含むモデルは、すべての中央性ビンおよび$p_T$範囲でALICEの$R_{AA}$データをよく再現した。
• 15 GeV以上の$p_T$領域では、放射的エネルギー損失を含めたモデルでは$R_{AA}$がほとんど平坦に保たれ、実験の傾向と一致した。一方、純粋な弾性モデルでは$R_{AA}$は増加する傾向を示した。
• 低$p_T$領域におけるBメソンの$v_2$は、Dメソンのそれよりも顕著に小さく、軽いクォークが非等方的プラズマの流れに強く結合するというモデルの予測と整合した。
• 中間的$p_T$領域では、charmおよびbottomクォークの$v_2$に測定可能な差が生じるとモデルが予測しており、これはQGP内での摂動的QCDの妥当性を検証する手がかりとなる。
• 衝突的および放射的エネルギー損失の両方が、合計エネルギー損失にほぼ同等に寄与しており、両方のメカニズムを無視することはできないことが示された。
• 放射的エネルギー損失を含めることで、必要なK因子は、弾性モデルでの約2から0.6に減少し、pQCDに基づく推定値とより整合性が高まった。