[논문 리뷰] How To Find Charm in Nuclear Collisions at RHIC and LHC

Sean Gavin, P. L. McGaughey외 2명|arXiv (Cornell University)|1996. 04. 19.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 RHIC 및 LHC 에너지에서 핵-핵 충돌에서 쿼ark 쌍 붕괴와 Drell-Yan 과정으로 인한 이론적 양자 chromodynamics(QCD) 기여를 다음 주요 순서(NLO)로 계산한다. 2 GeV 이상의 질량에서 열 이론적 이론적 배경보다 쿼크 쌍 붕괴로 인한 쿼크 생성이 수십 배 이상 우세하다는 것을 발견하였으며, 이는 열 이론 신호를 분리하고 핵 타겟에서의 글루온 샤로윙 정보를 추출하기 위해 빠르기 간격 컷과 같은 성분을 필요로 한다.

ABSTRACT

Measurements of dilepton production from charm decay and Drell-Yan processes respectively probe the gluon and sea quark distributions in hadronic collisions. In nucleus-nucleus collisions, these hard scattering processes constitute a `background' to thermal contributions from the hot matter produced by the collision. To determine the magnitude and behavior of this background, we calculate the hard scattering contribution to dilepton production in nuclear collisions at RHIC and LHC at next to leading order in perturbative QCD. Invariant mass, rapidity and transverse momentum distributions are presented. We compare these results to optimistic hydrodynamic estimates of the thermal dilepton production. We find that charm production from hard scattering is by far the dominant contribution. Experiments therefore can measure the gluon distribution in the nuclear target and projectile and, consequently, can provide new information on gluon shadowing. We then illustrate how experimental cuts on the rapidity gap between the leptons can aid in reducing the charm background, thereby enhancing thermal information.

연구 동기 및 목표

• RHIC 및 LHC에서 핵-핵 충돌에서 쿼크 쌍 붕괴 및 Drell-Yan 과정으로 인한 딜렙톤 배경의 경계를 정량화하기 위해.
• 지배적인 쿼크 및 Drell-Yan 배경이 존재하는 상황에서 열 이론적 딜렙톤 신호를 분리하는 것이 가능한지 평가하기 위해.
• 핵-핵 충돌에서 초기 쿼크 및 Drell-Yan 생성률에 핵 샤로윙이 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 빠르기 간격 컷과 같은성분을 통한 실험 전략을 제안하여 쿼크 배경을 억제하고 열 이론 신호 탐지 능력을 향상시키기 위해.
• 딜렙톤 측정을 통해 핵에서의 저- x 글루온 분포를 추출하고 글루온 샤로윙에 대한 새로운 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• RHIC 및 LHC에서 $pp$, Au+Au, Pb+Pb 충돌의 $\sqrt{s}\to = 200$ GeV 및 5.5 TeV 조건에서 딜렙톤 생성에 대해 다음 주요 순서(NLO) 양자 chromodynamics(QCD) 계산을 수행한다.
• 두 가지 핵-파트론 분포 함수(nPDF) 파rameterization을 사용한다: 하나는 $F_2$ 구조 함수 비율 기반이며, 다른 하나는 $Q^2$-의존적 진화와 글루온 재결합을 포함한다.
• 각각의 값, 해, 글루온 분포에 대해 $R_V(x,\nu)$, $R_S(x,\nu)$, $R_G(x,\nu)$ 수정 함수를 사용하여 핵-샤로윙을 적용한다.
• $Q\overline{Q}$, Drell-Yan, $B\overline{B}$ 붕괴 기여로 인한 딜렙톤 연속체에 대한 관측량 질량, 횡방향 운동량, 빠르기 분포를 계산한다.
• 배경 우세도를 평가하기 위해 NLO 결과를 열 이론적 딜렙톤 수확의 낙관적 유량 예측과 비교한다.
• 비상관 쿼크 딜렙톤 쌍 억제 능력과 열 이론 신호 유지 능력을 평가하기 위해 빠르기 간격 컷과 같은성분 제거 기법의 효과를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중심부 Au+Au 및 Pb+Pb 충돌에서 RHIC 및 LHC 조건에서 쿼크 쌍 붕괴로 인한 딜렙톤 생성 기여는 어느 정도인가?
• RQ2 핵-핵 충돌에서 핵 샤로윙은 쿼크 쌍 및 Drell-Yan 쌍의 초기 생성률에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 빠르기 간격 선택이 지배적인 쿼크 배경을 효과적으로 억제하면서도 열 이론적 딜렙톤 신호를 유지하는 데 효과적인가?
• RQ4 비상관 쿼크 딜렙톤 쌍의 원시 딜렙톤 연속체에 대한 정량적 영향은 무엇이며, 같은 성분 제거로 제거될 수 있는가?
• RQ5 RHIC 및 LHC에서의 딜렙톤 측정을 통해 핵에서의 저- x 글루온 분포와 글루온 샤로윙에 대한 정보를 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 쿼크 쌍 붕괴는 $\Upsilon$ 질량 이하의 딜렙톤 연속체를 지배하며, RHIC 및 LHC에서 $M > 2$ GeV 조건에서 낙관적 열 이론적 딜렙톤 수확보다 수십 배 이상 기여한다.
• RHIC에서 중심부 Au+Au 충돌에서는 1회 충돌당 최대 67개의 비상관 쿼크 딜렙톤 쌍이 생성되며, LHC에서 Pb+Pb 충돌에서는 이 연속체에 3000개 이상의 비상관 쿼크 딜렙톤 쌍이 기여한다.
• Drell-Yan 기여는 핵 샤로윙으로 인해 특히 낮은 $M$ 및 $p_T$ 영역에서 크게 감소하지만, 쿼크 생성에 비해 여전히 열등한 비율을 차지한다.
• 쿼크 붕괴 쌍이 일반적으로 큰 빠르기 간격을 가지는 관찰에 기반한 빠르기 간격 컷은 관련 쿼크 배경을 효과적으로 억제하고 열 이론적 딜렙톤 신호의 가시성을 높인다.
• PHENIX(예: RHIC) 및 ALICE(예: LHC)와 같은 검출기의 유한한 수용 범위는 자연스럽게 빠르기 간격 필터 역할을 하며, 이로 인해 열 이론적 쿼크 붕괴의 신호 대 배경 비율이 더욱 향상된다.
• 불확실성에도 불구하고 NLO 접근법은 임의의 K-인자 필요 없이 잘 정의된 이론적 불확실성을 제공하며, 이는 딜렙톤 데이터로부터 핵-파트론 분포를 추출하는 데 적합하다.