[논문 리뷰] Heavy flavors under extreme conditions in high energy nuclear collisions

Jiaxing Zhao, Kai Zhou외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 17.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 핵 충돌에서 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)의 프로브로써의 무거운 플라버를 조사하며, 운반 및 응집 모델을 통해 극한 조건에서의 그들의 거동을 분석한다. 이는 열역학적 조건에서 경량 성분의 복원과 딱딱한 성분의 억제를 포함한, 횡방향 운동량에 의존하는 핵 조정 인자에 대한 분석을 통해 QGP 형성의 핵심 서명으로 작용하며, 강한 전자기장 및 회전장은 추가로 쿼크류의 생성과 유동에 영향을 미친다.

ABSTRACT

Heavy flavor hadrons have long been considered as a probe of the quark gluon plasma created in high energy nuclear collisions. In this paper we review the heavy flavor properties under extreme conditions and the realization in heavy ion experiments. After a short introduction on heavy flavor properties in vacuum, we emphasize the cold and hot nuclear matter effects on heavy flavors, including shadowing effect, Cronin effect and nuclear absorption for the former and Debye screening and regeneration for the latter. Then we discuss, in the frame of transport and coalescence models, these medium induced changes in open and closed heavy flavors in nuclear collisions and the comparison with nucleon-nucleon collisions. Considering the extremely strong electromagnetic and rotational fields generated in non-central nuclear collisions, which are widely studied in recent years, we finally investigate their effects on heavy flavor production and evolution in high energy nuclear collisions.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 핵 충돌에서 형성된 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)를 탐색하는 데 있어 무거운 플라버 하드론의 기능을 이해하는 것.
• 열핵 물질 효과(데바이 스크리닝, 복원)와 냉핵 물질 효과(그림자 효과, 크론인 효과, 핵 흡수)가 열린 및 닫힌 무거운 플라버에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 비중앙 무거운 이온 충돌에서 강한 전자기장 및 회전장이 무거운 플라버 생성 및 진화에 미치는 영향을 검토하는 것.
• 운반 및 응집 모델이 A+A, p+p, 및 p+A 충돌에서의 무거운 플라버 관측량을 정량적으로 기술할 수 있는지 확인하는 것.
• 횡방향 운동량 분포 및 핵 조정 인자가 QGP 형성과 매질 특성에 얼마나 민감한지 평가하는 것.

제안 방법

• 충돌성 및 복사 에너지 손실을 포함하는 운반 모델을 사용하여 QGP 내에서의 무거운 쿼크 진화를 시뮬레이션한다.
• 통계적 하드론화 모델과 응집 메커니즘을 적용하여 무거운 쿼크가 열린 및 닫힌 무거운 플라버로의 하드론화를 기술한다.
• 해리 및 복원 항목을 포함하는 연립 운반 방정식을 사용하며, 초기 조건은 냉핵 물질 효과에 의해 수정된다.
• 스핀-자기 상호작용, 잠재력 변형, 초고에너지 외부 충돌에서의 광생성 등을 통해 전자기장 효과를 무거운 쿼크류에 모델링한다.
• 기울어진 유체역학 방정식을 무거운 쿼크의 운반 방정식과 결합하여 회전장의 형식을 확장한다.
• 관측량(핵 조정 인자 및 타원류)을 계산하기 위해 연립 방정식 시스템을 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그림자 효과, 크론인 효과, 핵 흡수와 같은 냉핵 물질 효과가 핵 충돌에서의 무거운 쿼크 초기 생성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 QGP 내에서의 데바이 스크리닝과 복원이 열린 및 닫힌 무거운 플라버의 최종 분포에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ3 RHIC 및 LHC 에너지에서 횡방향 운동량에 의존하는 핵 조정 인자의 변화는 QGP 존재와 복원 효과를 어떻게 신호로 나타내는가?
• RQ4 강한 전자기장 및 회전장이 비중앙 무거운 이온 충돌에서의 무거운 쿼크 쌍 역학과 쿼크류의 생성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 전기 전도도와 필드 수명이 전자기장이 무거운 플라버 진화에 지속적이고 관측 가능한 영향을 미치는 데 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 쿼크류의 평균 횡방향 운동량 제곱에 대한 핵 조정 인자는 SPS에서 1보다 큰 상태에서 시작하여 RHIC에서는 약 1, LHC에서는 1보다 작은 상태로 변화하며, 억제에서 복원의 지배로의 전환을 나타낸다.
• 쿼크류의 복원은 횡방향 운동량 분포의 연약한 성분을 강화하며, 고에너지에서 주도적인 성분이 되며, QGP 형성의 명확한 서명으로 작용한다.
• 전자기장은 쿼크류 단일 및 삼중 상태 간의 스핀 혼합을 유도하고, 쿼크 자기모멘트를 통해 쿼크류 질량을 이동시켜 질량 스펙트럼에 측정 가능한 영향을 미친다.
• 전자기장에 의해 유도된 무거운 쿼크 잠재력의 변형은 고에너지 충돌에서 크게 증가한 타원류를 유도하며, 관측 가능한 효과를 가진다.
• 초고에너지 외부 충돌에서는 순수한 전자기 상호작용으로 인해 저횡방향 운동량 영역에서 $J/\bar{\psi}$의 상당한 증가가 관측되며, 특히 $\psi(2S)$ 채널에서 두드러진다.
• QGP 내 고전도도는 전자기장의 수명을 연장시켜, 필드 붕괴 이전에 무거운 플라버 관측량에 측정 가능한 영향을 미친다.