[논문 리뷰] Azimuthal Jet Tomography of Quark Gluon Plasmas at RHIC and LHC

Barbara Betz, Miklós Gyulassy|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 28.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 RHIC 및 LHC 데이터로부터의 각도 및 횡방향 운동량에 의존하는 핵소결인자 $ R_{AA}(p_T,\phi) $ 를 사용하여 쿼크-글루온 플라즈마에서 제트 냉각 현상을 조사한다. 횡방향로 팽창하는 QGP 배경에서 제트 에너지 손실 모델—변하는 결합 상수 QCD, AdS/CFT에 기반한, $ T_c $ 가 지배하는 모델—을 비교하여, 오직 변하는 결합 상수 QCD 모델만이 과도하게 예측하지 않고도 RHIC 및 LHC 데이터를 일관되게 기술함을 발견한다.

ABSTRACT

Recent data on the azimuthal and transverse momentum dependence of high-pT>10 GeV pion nuclear modification factors in nuclear collisions at RHIC/BNL and LHC/CERN are analyzed in terms of a wide class of jet-energy loss models and a variety of transverse expanding collective flow backgrounds. RHIC data at 200 AGeV are found to be surprisingly consistent with rather different dE/dx models when coupled to recent 2+1D minimally viscous QGP flow field predictions. However, extrapolations to LHC, with parameters fixed at RHIC, favor running coupling QCD based energy-loss models over fixed coupling QCD, conformal AdS holography, or Tc-dominated jet-energy loss models that tend to overpredict jet quenching at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 최근 PHENIX 데이터 해석의 탄력성을 시험하여, AdS/CFT에 기반한 제트 에너지 손실 모델이 QCD 기반 모델보다 RHIC 데이터를 더 잘 기술하는가를 확인한다.
• 분석을 LHC 데이터까지 확장하여 다양한 에너지 스케일에서 제트 냉각 모델 간의 상호 비교를 가능하게 한다.
• 실제 횡방향 팽창 QGP 유동장과 결합된 다양한 $ dE/dx $ 모델—편미분 QCD, AdS/CFT, $ T_c $-지배—의 일관성을 평가한다.
• 단일 모델이 실험적 불확도 내에서 RHIC 및 LHC $ R_{AA}(p_T,\phi) $ 데이터를 정량적으로 동시에 기술할 수 있는가를 규명한다.
• 현재 허브릭 및 비편미분 에너지 손실 모델이 RHIC 조건에서 LHC 조건으로 외삽할 때 가지는 한계를 규명한다.

제안 방법

• 제트 에너지 손실을 제트 에너지 $ E $, 길이 $ x $, 국소 온도 $ T $ 의 함수로 기술하기 위해 파arametric $ dE/dx $ 모델을 사용하며, $ dE/dx = C_r \kappa(T) P^a \tau^b T^c $ 로 표현한다.
• 세 가지 다른 QGP 유동 배경—VISH2+1, RL Hydro, 횡방향 폭발 웨이브 모델—을 적용하여 횡방향 및 종방향 팽창을 시뮬레이션한다.
• 제트-매질 결합 상수 $ \kappa $ 는 0–5% 중심성 Au+Au 충돌에서 $ p_T = 7.5 $ GeV에서의 단일 RHIC 데이터 포인트($ R_{AA} = 0.20 $)에 피팅하고, 재피팅 없이 LHC로 외삽한다.
• 에너지 손실 경로 적분을 사용하여 $ R_{AA}^{in/out} $ 을 계산하며, 초기 $ P_0 $ 와 최종 $ P_f $ 를 $ P_0 = \left[ P_f^{1-a} + \int K(T) \tau^b T^c d\tau \right]^{1/(1-a)} $ 로 연결한다. 여기서 $ K(T) = (1-a)C_r\kappa(T) $ 이다.
• 변하는 결합 상수 QCD (QCD1), AdS/CFT 기반 $ dE/dx \propto \kappa x^2 T^4 $, $ T_c $ 가 지배하는 에너지 손실(SLTc) 모델을 테스트하며, $ \kappa $ 는 $ T \sim 170 $ MeV 근처에서 증가한다.
• 예측 결과를 PHENIX(RHIC) 및 ALICE/CMS/ATLAS(LHC)의 실험적 $ R_{AA}(p_T,\phi) $ 데이터와 비교하며, 0–5% 및 20–30% 중심성 범위를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 $ \kappa $ 를 가진 AdS/CFT 기반 제트 에너지 손실 모델이 RHIC 데이터에 피팅된 후, 조정 없이 LHC $ R_{AA} $ 데이터를 정확히 기술할 수 있는가?
• RQ2 170 MeV 근처에서 $ \kappa $ 가 증가하는 $ T_c $ 가 지배하는 에너지 손실 모델(SLTc)이 고정된 $ \kappa $ 를 사용해 RHIC에서 외삽된 후에도 RHIC 및 LHC 데이터를 일관되게 기술할 수 있는가?
• RQ3 변하는 결합 상수 QCD, AdS/CFT, SLTc 중 어느 $ dE/dx $ 모델이 RHIC 및 LHC에서의 $ R_{AA} $ 의 $ p_T $ 와 $ \phi $ 의 조합된 의존성을 가장 잘 기술하는가?
• RQ4 QGP 유동 배경(VISH2+1, RL Hydro, 폭발 웨이브)의 선택에 따라 결과가 얼마나 민감한가?
• RQ5 왜 모든 모델이 중간 $ 2 < p_T < 8 $ GeV 범위에서 $ R_{AA} $ 를 과소 예측하는가? 이는 제트 냉각 이론에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 200 AGeV에서의 RHIC 데이터는 현대적 2+1D 최소 점성 QGP 유동장과 결합된 다양한 $ dE/dx $ 모델에 대해 일관되게 기술된다.
• 고정된 $ \kappa $ 를 가진 AdS/CFT 기반 모델은 RHIC 데이터에 피팅된 후 LHC 에너지에서 제트 냉각을 과도하게 예측하며, LHC 데이터에 맞추기 위해 $ \kappa $ 를 2배로 줄여야 하며, 이는 등각 대칭성을 위반한다.
• $ T \sim 170 $ MeV 근처에서 $ \kappa_c = 3\kappa_Q $ 로 증가하는 $ T_c $ 가 지배하는 SLTc 모델도 고정된 $ \kappa $ 를 사용해 RHIC에서 외삽할 경우 LHC 냉각을 과도하게 예측한다.
• 변하는 결합 상수 QCD 모델(QCD1)에서 $ \kappa_c = \kappa_Q $ 를 사용하면 현재 실험적 불확도 내에서 RHIC 및 LHC $ R_{AA}(p_T,\phi) $ 데이터를 일관되게 기술한다.
• 모든 모델이 중간 $ 2 < p_T < 8 $ GeV 범위에서 $ R_{AA} $ 를 과소 예측하며, 이는 QGP의 중간 영역에서 비평형 제트 냉각을 기술하는 데 있어 중요한 이론적 과제임을 시사한다.
• RHIC 및 LHC 제트 톰그래피 간의 일관성은 현재 허브릭 모델을 비등각 변형 및 동적 스트링 초기 조건을 포함하도록 일반화해야 가능할 것이다.