[논문 리뷰] Calibrating the In-Medium Behavior of Quarkonia

Helmut Satz|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 14.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 핵 충돌에서 쿼크onium 생성을 보정하기 위한 모델에 의존하지 않는 방법을 제안한다. $J/\psi$ 수확률을 열린 쿠엔타 생성 비율과 비교하여, 비율 $R_{AA}(J/\psi)/R_{AA}(c\bar{c})$ 를 생존 확률로 사용한다. 주요 결과는 LHC와 RHIC에서 고 $P_T$ 조건에서 이 비율이 1임을 보여주며, 이는 억제 또는 강화가 없음을 의미한다. 그러나 RHIC에서 저 $P_T$ 조건에서는 $c\bar{c}$ 생성이 감소함에 따라 $J/\psi$ 억제가 관측되며, 이는 매질 효과가 운동량에 따라 달라진다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Quarkonium production has been considered as a tool to study the medium formed in high energy nuclear collisions, assuming that the formation of a hot and dense environment modifies the production pattern observed in elementary collisions. The basic features measured there are the relative fractions of hidden to open heavy flavor and the relative fractions of the different hidden heavy flavor states. Hence the essential question is if and how these quantities are modified in nuclear collisions. We show how the relevant data must be calibrated, i.e., what reference has to be used, in order to determine this in a model-independent way.

연구 동기 및 목표

• 모델에 의존하는 매개변수화로 인해 오랫동안 애매하게 여겨진 핵 충돌에서의 쿼크onium 억제를 해소하기 위해.
• 파트론 역학이나 결합 메커니즘에 대한 이론적 가정에 의존하지 않는 매질 효과의 기준 프레임워크를 수립하기 위해.
• 중성자-중성자 충돌에서 관측된 $J/\psi$ 억제가 매질에 의한 분해 때문인지, 아니면 $c\bar{c}$ 생성의 수정 때문인지 명확히 하기 위해.
• 측정 가능한 비율인 $J/\psi$ 생존 확률을 기반으로 한 강력한 실험 관측량을 제공하기 위해.

제안 방법

• 모델에 의존하지 않는 $J/\psi$ 생존 확률을 비율 $S_{J/\psi} = \left( N_{AA}(J/\psi)/N_{AA}(c\bar{c}) \right) / \left( N_{pp}(J/\psi)/N_{pp}(c\bar{c}) \right) $ 으로 정의한다.
• $J/\psi$ 와 열린 쿠엔타($c\bar{c}$)의 $R_{AA}$ 비율을 사용하여, 동일한 중심도 및 운동학적 조건에서 $AA$ 및 $pp$ 충돌의 수확률을 비교한다.
• 색 증발 모델을 적용하여 $c\bar{c}$ 생성과 $J/\psi$ 수확률 간의 관계를 일정한 $g_{c\bar{c} \to J/\psi}$ 를 통해 연결하며, 이 비율이 에너지에 독립적이라고 가정한다.
• $P_T$ 와 속도 범위가 동일한 구간에서 $J/\psi$ 와 $c\bar{c}$ 생성 비율을 상관시켜, 매질 효과와 初기 상태 수정을 분리한다.
• LHC 및 RHIC(PHENIX, STAR)의 실험 데이터를 활용하여 다양한 운동학적 영역에서 방법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵 충돌에서의 쿼크onium 생성을 어떻게 보정하여 매질 효과에 대한 모델에 의존하지 않는 정보를 추출할 수 있는가?
• RQ2 중성자-중성자 충돌에서 관측된 $J/\psi$ 억제는 매질에 의한 분해 때문인가, 아니면 $c\bar{c}$ 생성의 수정 때문인가?
• RQ3 $J/\psi$ 생존 확률은 다양한 운동학적 영역에서 일정한가, 아니면 $P_T$ 와 속도에 따라 달라지는가?
• RQ4 초기 상태 효과인 샤프닝 또는 에너지 손실이 $J/\psi$ 와 열린 쿠엔타 수확률 비율에 어느 정도 영향을 미치는가?

주요 결과

• LHC에서 $pp$ 와 $AA$ 충돌의 고 $P_T$ 조건에서 비율 $R_{AA}(J/\psi)/R_{AA}(c\bar{c})$ 는 1이며, 이는 $J/\psi$ 생성이 열린 쿠엔타에 비해 억제되거나 강화되지 않았음을 의미한다.
• RHIC에서 $Cu-Cu$ 충돌의 저 $P_T$ 조건에서는 $R_{AA}(J/\psi)$ 가 중심도에 따라 크게 감소하는 반면, $R_{AA}(c\bar{c})$ 는 약 1을 유지하며, 이는 $J/\psi$ 생성이 열린 쿠엔타에 비해 억제됨을 시사한다.
• $J/\psi$ 생존 확률 $S_{J/\psi}$ 는 고 $P_T$ 에서 1이며, 매질에 의한 억제가 없음을 확인한다. 그러나 저 $P_T$ 의 가장 중심도 높은 충돌에서는 약 25%로 감소하며, 강한 억제를 나타낸다.
• 저 $P_T$ 에서 관측된 억제는 $J/\psi$ 분해 때문이 아니라, 향후 속도 영역에서의 $c\bar{c}$ 생성 비율 감소 때문일 가능성이 크며, 이는 $pA$ 와 $AA$ 충돌 모두에서 $c\bar{c}$ 수확률 감소가 관측됨에 따라 뒷받침된다.
• 페르밀라브의 $pA$ 충돌 데이터는 향후 속도 영역에서 열린 쿠엔타의 억제를 보여주며, RHIC에서 관측된 $J/\psi$ 억제의 운동량 의존성과 일치한다.