[논문 리뷰] Estimating the Charm Quark Diffusion Coefficient and thermalization time from D meson spectra at RHIC and LHC

Francesco Scardina, Santosh K. Das외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 18.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 2인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 RHIC 및 LHC의 D 메손 스펙트럼을 이용하여 양성자-글루온 플라즈마(QGP)에서 채르모 쿼크의 확산 계수와 열화학적 평형 시간을 추정하기 위해 준입자 모델(QPM)을 적용한 볼츠만 운동 방정식 접근법을 제안한다. 비초기론적 상호작용이 Tc 근처에서 발생하고, 하이브리드 분열-결합 형성 모델이 결합된 결과, RAA 및 v2 데이터를 동시에 잘 재현하며, 열화학적 평형 시간은 4–6 fm/c로 추정되고, 2πTDs 값은 라티스 QCD 결과와 양호한 일치를 보인다.

ABSTRACT

We describe the propagation of charm quarks in the quark-gluon plasma (QGP) by means of a Boltzmann transport approach. Non-perturbative interaction between heavy quarks and light quarks have been taken into account through a quasi-particle approach in which light partons are dressed with thermal masses tuned to lQCD thermodynamics. Such a model is able to describe the main feature of the non-perturbative dynamics: the enhancement of the interaction strength near $T_c$. We show that the resulting charm in-medium evolution is able to correctly predict simultaneously the nuclear suppression factor, $R_{AA}$, and the elliptic flow, $v_2$, at both RHIC and LHC energies and at different centralities. The hadronization of charm quarks is described by mean of an hybrid model of fragmentation plus coalescence and plays a key role toward the agreeement with experimental data. We also performed calculations within the Langevin approach which can lead to very similar $R_{AA}(p_T)$ as Boltzmann, but the charm drag coefficient as to be reduced by about a $30\%$ and also generates an elliptic flow $v_2(p_T)$ is about a $15\%$ smaller. We finally compare the space diffusion coefficient $2πTD_s$ extracted by our phenomenological approach to lattice QCD results, finding a satisfying agreement within the present systematic uncertainties. Our analysis implies a charm thermalization time, in the $p ightarrow 0$ limit, of about $4-6 \, fm/c$ which is smaller than the QGP lifetime at LHC energy.

연구 동기 및 목표

• RHIC 및 LHC에서 D 메손의 핵 억제 요소 RAA 및 타원류동 v2를 동시에 기술하기 위해 운동 모형을 사용한다.
• 현상학적 접근법을 통해 QGP 내 채르모 쿼크의 확산 계수 Ds 및 열화학적 평형 시간을 추정한다.
• 실험 관측량을 재현하는 데 있어 볼츠만 운동 방정식 접근법과 랑주아 방정식 접근법을 비교한다.
• 추출된 운동 계수를 라티스 QCD 결과와 비교하여 검증한다.
• 특히 결합 형성의 역할이 실험 데이터 재현에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• QGP 내 채르모 쿼크의 전파를 시뮬레이션하기 위해 볼츠만 운동 방정식 접근법을 사용한다.
• 라티스 QCD 열역학에 맞추어 온도에 따라 변하는 열역학적 질량을 가진 준입자 모델(QPM)을 사용하여 비초기론적 상호작용을 기술한다.
• 저운동량 영역에서 주로 결합 형성이 지배하는 하이브리드 형성 모델(분열과 결합의 조합)을 구현한다.
• RAA를 일치시키기 위해 끌개 계수를 조정한 랑주아 방정식 접근법과 결과를 비교한다.
• 공간적 확산 계수 2πTDs를 추출하고, p→0 근사에서 열화학적 평형 시간을 추정한다.
• 시스템적 불확실성 내에서 라티스 QCD 데이터와의 일치를 확인하기 위해 확산 계수를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QPM를 적용한 볼츠만 운동 방정식 접근법이 RHIC 및 LHC에서 D 메손의 RAA 및 v2를 동시에 성공적으로 재현할 수 있는가?
• RQ2 추정된 채르모 쿼크의 열화학적 평형 시간은 얼마이며, QGP 수명과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 하이브리드 분열-결합 형성 모델은 실험 RAA 및 v2에 대한 일치도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 볼츠만 접근법의 결과가 랑주아 접근법의 결과와 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ5 추출된 확산 계수 2πTDs가 라티스 QCD 계산 결과와 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• QPM와 하이브리드 형성 모델을 적용한 볼츠만 운동 방정식 접근법은 RHIC 및 LHC에서 다양한 중심도 조건에서 D 메손의 RAA 및 v2를 성공적으로 재현한다.
• 채르모 쿼크의 열화학적 평형 시간은 4–6 fm/c로 추정되며, LHC 에너지에서 형성 이전에 거의 완전한 운동적 열화학적 평형에 도달함을 시사한다.
• 특히 저운동량 영역에서의 결합 형성이 지배하는 하이브리드 형성 모델은 RAA 및 v2를 모두 실험 데이터에 맞추기 위해 필수적이다.
• 같은 RAA를 만족시키는 조건에서, 랑주아 방정식 대비 볼츠만 방법은 v2를 약 15% 더 크게 예측하여 실험 데이터와의 일치도가 더 우수하다.
• 추출된 공간적 확산 계수 2πTDs는 온도에 따라 선형적으로 증가하며, 현재의 불확실성 범위 내에서 라티스 QCD 결과와 양호한 일치를 보인다.
• 강한 상호작용에 의한 재결합 효과는 v2에 추가로 10–20% 기여하며, 이는 데이터와의 일치도를 더욱 향상시킬 수 있음을 시사한다.