[論文レビュー] Systematics of Heavy Quark Production at RHIC

R. Vogt|ArXiv.org|Mar 15, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、RHICにおける$pp$、$pA$、$AA$衝突を用いた重クォーク生成の体系的計測計画を提案し、シャドウイングやエネルギー損失といった核効果を解明することを目的としている。$pp$断面積と$pA/pp$二重レプトン比を測定することで、核のグルーオン分布を抽出可能となり、$c\overline{c}$を$J/\psi$生成の正規化として用いることで、クォーク-グルーオンプラズマ効果を精密に探る基盤が得られる。

ABSTRACT

We discuss a program for systematic studies of heavy quark production in $pp$, $pA$ and $AA$ interactions. The $Q \bar Q$ production cross sections themselves cannot be accurately predicted to better than 50% at RHIC. For studies of deviations in $Q \bar Q$ production such as those by nuclear shadowing and heavy quark energy loss, the $pp$ cross section thus needs to be measured. We then show that the ratio of $pA$ to $pp$ dilepton mass distributions can provide a measurement of the nuclear gluon distribution. With total rates and nuclear shadowing under control it is easier to study energy loss and to use $c \bar c$ as a normalization of $J/ψ$ production.

研究の動機と目的

• RHICにおける$pp$衝突における$ c\overline{c} $および$ b\overline{b} $生成断面積の正確なベースラインを確立し、ヒッグス粒子研究における正規化としての利用を目的とする。
• 核のシャドウイングおよびエネルギー損失の影響による$Q\overline{Q}$生成のずれを、$pA$および$AA$系で測定すること。
• $pA/pp$二重レプトン質量比を核のグルーオン分布関数のプローブとして用いること。
• 重クォークのエネルギー損失と$D/B$メソンの崩壊寄与を考慮することで、熱的二重レプトン信号の検出を可能とすること。
• $c\overline{c}$がクォーク-グルーオンプラズマ研究における$J/\psi$生成の正規化チャネルとしての妥当性を評価すること。

提案手法

• 最新のパートン分布関数（MRST HO、CTEQ 5M、GRV 98 HO）と二ループ$\alpha_s$を用いて、$pp$衝突におけるNLO $Q\overline{Q}$全断面積を計算する。
• 部分的断面積を$\eta = \hat{s}/4m_Q^2 - 1$に依存するスケーリング関数$f^{(k,l)}_{ij}(\eta)$で表現し、NLO段階で$\mu^2/m_Q^2$に対する対数的依存性を示す。
• 部分的断面積をPDFと畳み込み、$\sigma_{pp}(s,m_Q^2) = \sum_{i,j} \int \frac{d\tau}{\tau} \delta(x_1x_2 - \tau) F_i^p(x_1,\mu) F_j^p(x_2,\mu) \hat{\sigma}_{ij}(\tau,m_Q^2,\mu^2)$の形で表す。
• データとの一致を最適化するために、$m_c$、$m_b$、$\mu$を調整し、$c\overline{c}$および$b\overline{b}$データと比較する。
• $pA/pp$二重レプトン生成率比を用いて、核のグルーオン分布関数$R_g^A$を抽出する。$R_{g}^{A} \propto \frac{dN_{\ell\ell}^{pA}}{dM} \big/ \frac{dN_{\ell\ell}^{pp}}{dM}$。
• エネルギー損失が$D$および$B$メソンの崩壊と二重レプトンスペクトルに与える影響、特に高$p_T$領域での影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RHICにおける$c\overline{c}$および$b\overline{b}$生成断面積の理論的予測の不確実性は何か。また、その不確実性をどのように低減できるか。
• RQ2 $pA/pp$二重レプトン質量比を用いて核のグルーオン分布関数をどのように抽出できるか。
• RQ3 重クォークのエネルギー損失が高$p_T$二重レプトン生成率をどの程度抑制し、熱的二重レプトン信号の検出を歪めるか。
• RQ4 $c\overline{c}$生成が$AA$衝突における$J/\psi$生成の正規化チャネルとして信頼できるか。
• RQ5 クォーク-グルーオンプラズマ内でのヒッグス粒子再生が$J/\psi$生成率をどの程度増幅させるか。その定量的評価はどのように行えるか。

主な発見

• RHICにおける$pp$衝突における$c\overline{c}$断面積の理論的予測の不確実性は約50%であり、精度の高い研究のためには直接測定が不可欠である。
• MRST HOおよびCTEQ 5M PDFでは、$m_c = 1.4$ GeVおよび$\mu = m_c$でデータとの一致が最良となる。GRV 98 HOでは、$m_c = 1.3$ GeVおよび$\mu = m_c$で同様の一致が得られる。
• $pA/pp$二重レプトン比は、核のグルーオン分布関数の直接的なプローブとなり、$3 \times 10^{-5} \leq \langle x_2 \rangle \leq 2 \times 10^{-4}$の範囲で$R_g^A$は$x$にほとんど依存しない。
• クォーク-グルーオンプラズマ内での放射的エネルギー損失は顕著であり、10 GeVの重クォークでは$dE/dx \sim -5$ GeV/fmに達するが、衝突的損失はより小さい（$\sim 1-2$ GeV/fm）。
• エネルギー損失は高$p_T$および高インヴァリアント質量$Q\overline{Q}$対を抑制し、二重レプトンスペクトルを歪め、補正が行われない限り熱的信号が隠蔽される可能性がある。
• $Z^0$や$\psi' / \psi$比と比較して、$c\overline{c}$生成率は$J/\psi$生成の正規化としてより好ましい。これは、生成メカニズムが類似しており、$\langle x \rangle$および$\langle \mu \rangle$の値も近いためである。