[論文レビュー] Universal upper bound on the energy of a parton escaping from the strongly coupled quark-gluon matter

Dmitri E. Kharzeev|ArXiv.org|Jun 2, 2008

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、AdS/CFT対応性と強い外部場における放射のLiénard公式に基づき、強い結合性のクォーク- gluonプラズマから脱出するパートンのエネルギーに対する普遍的な上限を提案している。この上限は、媒質誘起放射に起因し、放射の角度分布に広がった「デッドコーン」を生じさせ、特に重いクォークが高エネルギーを維持できないことを示唆しており、微小なQCDの予想とは対照的である。これは、重イオン衝突における観測された重クォーク抑制の非摂動的説明を提供する。

ABSTRACT

It has been shown through the AdS/CFT correspondence that the energy loss of a fast quark in a strongly coupled ${\cal N}=4$ SUSY Yang--Mills matter in the large N limit is given by the classical Lienard formula. I demonstrate that under quite natural assumptions about the dynamics of heavy ion collisions this leads to a universal (i.e. independent of the initial parton energy, but dependent on flavor and centrality) upper bound on the energy of the partons escaping from the plasma. This bound is a Yang--Mills analog of the Pomeranchuk bound in classical electrodynamics, where it is a consequence of radiation in a strong external field acting on a relativistic charge. Since as a result the massive constituent partons are slowed down to a velocity v < c, the angular distribution of the emitted radiation exhibits a broad "dead cone". If the properties of conformal and QCD matter at strong coupling are qualitatively similar, the existence of this universal upper bound would have dramatic implications for heavy ion experiments.

研究の動機と目的

• 強い結合性のクォーク-グルーオンプラズマにおけるダイナミクスの影響が、重イオン衝突におけるパートンエネルギー損失に与える影響を調査すること。
• AdS/CFT対応性が、強い結合性物質における脱出パートンエネルギーの普遍的上限を提供できるかを検討すること。
• RHICにおける高横動量重クォークの抑制を、デッドコーン効果に基づく理論的期待と一致させること。
• 特に中央衝突および周辺衝突において、強い色場と媒質の幾何学的配置がパートン脱出エネルギーを制限する役割を評価すること。
• ${\cal N}=4$ SUSY Yang-Mills理論の文脈でLiénard公式を用いたダイナミクスのモデル化を通じて、QCD物質における非摂動的効果の可能性を評価すること。

提案手法

• ${\cal N}=4$ SUSY Yang-Mills理論の強い結合性ダイナミクスを、$AdS_5 \times S_5$ における古典的スーパ的热情に変換するAdS/CFT対応性の使用。
• 放射エネルギー損失にLiénard公式を適用し、$\frac{\sqrt{\lambda}}{2\pi} \leftrightarrow \frac{2e^2}{3}$ の置換を施すことで、強い外部色場内を移動する高速パートンのエネルギー損失を記述する。
• 重イオン衝突におけるゲージ場のダイナミクスが、$Q_s^2 \sim N_{\text{part}}^{1/3}$ に比例する時間的に変化する強い色場を生成すると仮定する。
• 媒質を通過する路徑 $L$ に依存する、脱出パートンの最終エネルギーに対する上限 $E_{\text{bound}} \sim \frac{2}{L \sqrt{\lambda}}$ の導出。
• 放射の角度分布の分析により、$v < c$ のときの前方放射の速度依存性抑制に起因する広がった「デッドコーン」が示される。
• デッドコーンのサイズを $\theta_{\text{cone}} \lesssim \frac{m}{E_{\text{bound}}}$ と推定し、小角度での放射が著しく減少することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AdS/CFTを経由して導かれたLiénard公式は、強い結合性クォーク-グルーオンプラズマから脱出するパートンのエネルギーに普遍的な上限を提供するか？
• RQ2 RHICにおける高-$p_\perp$重クォークの抑制は、密度の高い物質内における非摂動的放射損失によって説明可能か？
• RQ3 エネルギー損失の上限は、重イオン衝突における衝突の中心度と媒質の路徑にどのように依存するか？
• RQ4 $c$ よりも遅くなったパートンが放射するエネルギーの角度分布における「デッドコーン」の形状とサイズは何か？
• RQ5 パートンエネルギーの上限が、微小QCD予測とは対照的に、軽いクォークと重いクォークの間で抑制パターンの類似性を説明する程度はどの程度か？

主な発見

• 脱出パートンのエネルギーに対する普遍的な上限は $E_{\text{bound}} \sim \frac{2}{L \sqrt{\lambda}}$ として導出され、初期エネルギーに依存しないが、媒質の路徑 $L$ と't Hooft結合 $\lambda$ に依存する。
• この上限は、強い色場内における媒質誘起放射に起因し、古典的電気力学におけるPomeranchuk上限に類似している。
• $c$ よりも遅くなった重クォークは、サイズ $\theta_{\text{cone}} \lesssim \frac{m}{E_{\text{bound}}}$ の広がった「デッドコーン」を示し、放射によるエネルギー損失が減少する。
• この上限は、プラズマの密度の高いコアから脱出するパートンが高エネルギーを維持できないことを示唆しており、高-$p_\perp$粒子は希薄な「コロナ」から来ているか、完全に吸収されている必要があると示唆する。
• LHCエネルギーでは、ベータクォークの上限は $\tilde{E}_{\text{bound}}^{\text{beauty}} \simeq \frac{2}{L(\text{fm})} \text{ GeV}$ と推定され、その抑制は明確に観測可能となる。
• 放射の角度分布は、$E_0$ から $E_{\text{bound}}$ までのエネルギーを持つパートンからの放射の重ね合わせであり、エネルギー依存のコーンサイズにより、広がった有効なデッドコーンが生じる。