[논문 리뷰] Measurement of beauty production via non-prompt ${ m D}^{0}$ mesons in Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 5.02 TeV

ALICE Collaboration|Publication Server of Goethe University Frankfurt am Main (Goethe University Frankfurt)|2022. 02. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 LHC의 ALICE 실험을 통해 √sNN = 5.02 TeV에서의 Pb–Pb 충돌에서 빛의 히드론 붕괴를 통해 생성된 비프롬프트 D⁰ 메손을 측정한다. 중심부 충돌에서 빛의 생산이 상당히 억제됨(약 3배 이내)을 보고하며, pT > 4 GeV/c에서 비프롬프트 대 프롬프트 D⁰ 메손의 RAA 비율이 1을 초과함을 확인하여, 더 무거운 빛 쿼크의 경우 사망 콘 효과로 인해 에너지 손실이 감소할 것임을 예측하는 모델과 일치한다.

ABSTRACT

The production of non-prompt ${ m D}^{0}$ mesons from beauty-hadron decays was measured at midrapidity ($\left| y ight| < 0.5$) in Pb-Pb collisions at a nucleon-nucleon center-of-mass energy of $\sqrt{s_{ m NN}}=5.02~\mathrm{TeV}$ with the ALICE experiment at the LHC. Their nuclear modification factor ($R_{ m AA}$), measured for the first time down to $p_{ m T}=1~\mathrm{GeV}/c$ in the $0-10$% and $30-50$% centrality classes, indicates a significant suppression, up to a factor of about three, for $p_{ m T} > 5~\mathrm{GeV}/c$ in the $0-10$% central Pb-Pb collisions. The data are described by models that include both collisional and radiative processes in the calculation of beauty-quark energy loss in the quark-gluon plasma, and quark recombination in addition to fragmentation as a hadronisation mechanism. The ratio of the non-prompt to prompt ${ m D}^{0}$-meson $R_{ m AA}$ is larger than unity for $p_{ m T} > 4~\mathrm{GeV}/c$ in the $0-10$% central Pb-Pb collisions, as predicted by models in which beauty quarks lose less energy than charm quarks in the quark-gluon plasma because of their larger mass.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 5.02 TeV에서의 Pb–Pb 충돌에서 빛-하드론 붕괴를 통해 생성된 비프롬프트 D⁰ 메손의 생산을 측정하기 위해.
• 0–10% 및 30–50% 중심도 범주에서 pT = 1 GeV/c까지의 핵물질 수정 인자(RAA)를 결정하기 위해.
• 비프롬프트 및 프롬프트 D⁰ 메손의 RAA를 비교함으로써 쿼크–글루온 플라즈마(QGP) 내 빛 쿼크의 에너지 손실을 조사하기 위해.
• 충돌 및 복사 에너지 손실, 그리고 하드론화 과정에서의 쿼크 재결합을 포함하는 이론 모델을 실험 데이터와 비교하기 위해.

제안 방법

• LHC의 ALICE 검출기로 K⁻π⁺π⁻ 붕괴를 통해 비프롬프트 D⁰ 메손을 재구성하였다.
• √sNN = 5.02 TeV에서의 Pb–Pb 충돌에서 중간속도 영역 (|y| < 0.5)에서의 전단 운동량(pT)-차별적 수율을 측정하였다.
• 핵물질 수정 인자 RAA를 계산하였으며, 이는 Pb–Pb 충돌에서의 D⁰ 수율을 pp 충돌에 비해 평균 핵물질 오버랩 함수 ⟨TAA⟩로 스케일링한 비율로 정의되었다.
• QGP 내 빛 쿼크의 충돌 및 복사 에너지 손실을 포함한 모델을 사용하였으며, 하드론화 과정으로서 쿼크 재결합 메커니즘을 적용하였다.
• 비프롬프트 D⁰ 메손의 RAA를 프롬프트 D⁰ 메손의 RAA와 비교하여 질량에 따른 에너지 손실의 의존성을 탐색하였다.
• 모델 비교 과정에서 냉각 핵물질 영향과 하드론화 메커니즘을 고려했다.

Figure 1: Invariant-mass distributions for $\rm D^{0}$ candidates in selected $p_{\rm T}$ intervals for the centrality class 0–10% and 30–50%. Fitted values for the $\rm D^{0}$ meson mass $\mu$ , width $\sigma$ , and raw yield $S$ are also given, the fraction of $\rm D^{0}$ candidates in the measure

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pT > 1 GeV/c에서 비프롬프트 D⁰ 메손을 통한 측정을 통해 QGP 내 빛 쿼크의 억제 패턴은 어떠한가?
• RQ2 중심부 Pb–Pb 충돌에서 비프롬프트 D⁰ 메손의 RAA는 프롬프트 D⁰ 메손의 RAA와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 복사 및 충돌 에너지 손실, 그리고 쿼크 재결합을 포함하는 이론 모델이 관측된 RAA를 어느 정도 잘 기술하는가?
• RQ4 고에너지 pT에서 관측된 비프롬프트 D⁰ 메손의 RAA > 1은 빛 쿼크가 QGP 내에서 채르 쿼크보다 더 적은 에너지 손실을 겪는다는 예측을 뒷받침하는가?
• RQ5 냉각 핵물질 영향과 하드론화 메커니즘이 무거운 이온 충돌에서 빛 쿼크의 에너지 손실 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 0–10% 중심도 Pb–Pb 충돌에서 pT > 5 GeV/c에서 비프롬프트 D⁰ 메손의 핵물질 수정 인자 RAA는 약 3배까지 상당한 억제를 보였다.
• 0–10% 중심도에서 pT > 4 GeV/c에서 비프롬프트 D⁰ 메손의 RAA는 1을 초과하여, 프롬프트 D⁰ 메손보다 더 적은 억제를 나타낸다.
• 관측된 비프롬프트 대 프롬프트 RAA 비율 > 1은 사망 콘 효과로 인해 빛 쿼크의 에너지 손실이 감소할 것임을 예측하는 이론 모델과 일치한다.
• QGP 내 빛 쿼크의 충돌 및 복사 에너지 손실 메커니즘을 모두 포함한 모델이 관측 데이터를 잘 기술한다.
• 하드론화 과정에서 쿼크 재결합 메커니즘을 포함한 모델은 진공 유사 분해만을 고려한 모델보다 데이터를 더 잘 기술한다.
• 억제 패턴과 RAA 행동은 빛 쿼크가 질량이 더 크고 작은 각도에서 글루온 복사가 억제되므로 채르 쿼크보다 더 적은 에너지 손실을 겪는다는 아이디어를 지지한다.

Figure 2: Top panel: non-prompt $\rm D^{0}$ -meson $p_{\rm T}$ -differential production yields in Pb–Pb collisions at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}}~{}=~{}5.02$ TeV in the 0–10% and 30–50% centrality classes. The pp reference spectra, $\left\langle T_{\rm AA}\right\rangle\times{\rm d}\sigma_{\rm pp}/{\rm d