[논문 리뷰] Excited charmonium suppression in proton-nucleus collisions as a consequence of comovers

E. G. Ferreiro|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 03.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 양성자-핵 충돌에서 챠르몬륨과 함께 생성된 공진동하는 입자들(공진동하는 하드론)과의 최종 상태 상호작용이 높은 에너지에서 RHIC 및 LHC에서 관측된 $\psi(2S)$ 상태의 $J/\psi$에 비해 강화된 억제 현상을 설명한다. 핵자체 흡수 이론는 형성 시간 제약으로 인해 고에너지에서 실패하지만, 공진동하는 입자들과의 상호작용은 더 크고 산란성이 높은 $\psi(2S)$ 상태가 밀도가 높은 공진동하는 매체와의 상호작용 창이 더 길어지므로, 더 강한 억제를 자연스럽게 설명한다.

ABSTRACT

Recent results from proton(deuteron)-nucleus collisions at RHIC and LHC energies have shown an unexpected suppression of excited quarkonium states as compared to their ground states. In particular, stronger suppression of the $ψ(2S)$ relative to the $J/ψ$ has been detected. Similar observations were made at lower energies and were easily explained by nuclear absorption. At higher energies, a similar explanation would violate the Heisenberg principle, since the calculations based on the uncertainty principle lead to a charmonium formation time expected to be larger than the nuclear radius, which results in identical nuclear break-up probability for the $ψ(2S)$ and $J/ψ$. On the contrary, this behavior is naturally explained by the interactions of the quarkonium states with a comoving medium. We present our results on $J/ψ$ and $ψ(2S)$ production for d+Au collisions at $\sqrt{s}=200$ GeV and for p+Pb collisions at $\sqrt{s}=5.02$ TeV.

연구 동기 및 목표

• RHIC 및 LHC 에너지에서의 양성자-핵 충돌에서 $\psi(2S)$의 $J/\psi$에 비해 강화된 억제 현상을 해결하기 위해.
• 핵자체 흡수 설명이 쿼크온 형성 시간이 핵 반지름을 초과함으로써 고에너지에서 실패하는 바람에 이를 도전하기 위해.
• 최종 상태 상호작용이 공진동하는 하드론과의 상호작용이 관측된 억제 패턴을 일관되게 설명할 수 있음을 보여주기 위해.
• 고다중도 p+Pb 및 d+Au 충돌에서 공진동하는 입자 밀도와 그 영향을 정량화하기 위해.
• 이 밀도를 쿼크-글루온 플라즈마 형성 임계 밀도 및 소형 시스템에서의 집합적 효과와 비교하여 맥락화하기 위해.

제안 방법

• 충돌에서 생성된 공진동하는 하드론과의 최종 상태 상호작용을 통해 $J/\psi$ 및 $\psi(2S)$의 억제를 모델링한다.
• 공진동하는 쌍 $c\bar{c}$ 가 핵 매질을 통과하는 동안 부드러운 하드론(공진동하는 입자)과 상호작용하는 공진동하는 시나리오를 사용한다.
• 충돌 격리 면적에 정규화하여 p+Pb(5.02 TeV)에서 $\rho^{co} \approx 4$ fm$^{-2}$, d+Au(200 GeV)에서 $\approx 2.5$ fm$^{-2}$로 初기 공진동하는 입자 밀도를 추정한다.
• 3차원 공진동하는 입자 밀도를 $\rho^{co}(\tau) = \rho^{co}/\tau$로 계산하며, $\tau_0 = 1$ fm일 때 p+Pb에서 $\sim 4$ fm$^{-3}$, d+Au에서 $\sim 2.5$ fm$^{-3}$를 얻는다.
• 이 밀도를 쿼크-글루온 플라즈마 형성의 임계 밀도($T_c \approx 170-190$ MeV일 때 $\sim 2.6-3.75$ fm$^{-3}$)와 비교한다.
• 고에너지에서 $c\bar{c}$ 상태의 긴 형성 시간으로 인해 $c\bar{c}$ 쌍이 핵을 통과하는 동안 해체되지 않으며, 핵자체 흡수 메커니즘이 비효율적이므로 공진동하는 입자 상호작용이 고에너지에서 우세하다고 주장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 더 크고 약한 결합을 가진 $\psi(2S)$ 상태가 고에너지에서의 양성자-핵 충돌에서 $J/\psi$에 비해 더 강하게 억제되는가?
• RQ2 왜 전통적인 핵자체 흡수 설명이 RHIC 및 LHC 에너지에서 실패하는가?
• RQ3 최종 상태 상호작용이 공진동하는 하드론과의 상호작용이 소형 시스템인 p+Pb 및 d+Au에서 관측된 억제 패턴을 설명할 수 있는가?
• RQ4 고다중도 양성자-핵 충돌에서의 초기 공진동하는 입자 밀도는 얼마이며, 쿼크-글루온 플라즈마 임계 밀도와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 이 충돌에서의 높은 밀도의 공진동하는 매체가 쿼크온 상태에 상당한 최종 상태 효과를 유도할 수 있는가?

주요 결과

• $\psi(2S)$의 억제는 p+Pb(5.02 TeV) 및 d+Au(200 GeV) 충돌에서 $J/\psi$의 억제보다 더 강하다. 이는 고에너지에서 핵자체 흡수 이론의 예측과 반대된다.
• 중간 및 전방 빠르기 영역에서 레이저 블루프리핑으로 인해 쿼크온 형성 시간이 핵 반지름을 초과하므로 $c\bar{c}$ 쌍이 통과하는 동안 해체되지 않으며, 핵자체 흡수 이론이 미분 메커니즘으로서 무효화된다.
• 공진동하는 입자 밀도는 p+Pb에서 $\sim 4$ fm$^{-2}$, d+Au에서 $\sim 2.5$ fm$^{-2}$로 추정되며, $\tau_0 = 1$ fm일 때 3차원 밀도는 각각 $\sim 4$ fm$^{-3}$ 및 $\sim 2.5$ fm$^{-3}$이다.
• 이 공진동하는 입자 밀도는 쿼크-글루온 플라즈마 형성 임계 밀도($\sim 2.6-3.75$ fm$^{-3}$)에 가까워, 일시적인 고밀도 물질 조건을 시사한다.
• 공진동하는 입자 시나리오는 $\psi(2S)$의 강화된 억제를 자연스럽게 설명한다. 그 이유는 더 큰 공간적 크기로 인해 공진동하는 매체와의 상호작용 확률이 증가하기 때문이다.
• 이 모델은 실험 데이터와 일치하며, 소형 시스템에서의 가까운 측면 고리 및 쿼크온 억제에 대해 집합적 유동 또는 색-유리 응축체 설명의 대안을 제공한다.