[논문 리뷰] Overview of quarkonia and heavy flavour measurements by CMS

P. Shukla, collaboration, CMS|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 15.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 √sNN = 2.76 TeV 및 5.02 TeV 조건 하에서 pp, pPb 및 PbPb 충돌에서 쿼크로니아 및 헤비플러어 생성을 측정하여 양성자-구름 플라즈마(QGP) 성질을 탐구하는 CMS 측정 결과를 제시한다. 핵반응 수정 인자(R_AA)에 초점을 맞추어, 주요 결과로는 Υ 상태의 순차적 억제, 재결합에 의한 재생 현상으로 나타나는 저운동량 J/ψ 수확 증가, 저운동량 영역에서의 억제에 대한 질량 계층 구조가 관찰되었으며, B 메손은 경량 하드론보다 덜 억제되어 QGP 내 에너지 손실 메커니즘과 일치한다.

ABSTRACT

This writeup summarizes recent CMS results on quarkonia measurements in pp, pPb and PbPb collisions at LHC. The excellent muon detection capability of CMS allows measurement of charmonia states at high transverse momentum ($p_T$) while the $Υ$ states can be reconstructed starting at zero $p_T$. The absolute and relative yields of different charmonia and bottomonia states modified in PbPb collisions (over pp collisions) are described. The vertexing capability of CMS enables measurement of B meson energy loss via its decay to J/$ψ$. An overview of these measurements is given. How these measurements compare with other experiments at RHIC and LHC and have improved the understanding of heavy ion collisions has been discussed.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 2.76 TeV 및 5.02 TeV 조건에서 pp, pPb 및 PbPb 충돌에서 쿼크로니아 및 헤비플러어 생성을 측정하여 양성자-구름 플라즈마(QGP) 성질을 탐구한다.
• 색 스크리닝 및 재결합의 역할이 중이온 충돌에서 쿼크로니아 수확에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다.
• 이격된 병합점 재구성 기법을 활용해 B 메손의 J/ψ 붕괴를 통해 중성자-쿼크 에너지 손실 메커니즘을 연구한다.
• RHIC 및 ALICE 데이터와의 비교를 통해 억제의 진화가 충돌 에너지 및 시스템 크기의 영향을 어떻게 받는지 이해한다.
• 다양도 기반 측정을 통해 pPb 충돌에서 최종 상태 효과인 공동 운반자(comovers) 및 샤로윙(shadowing)의 영향을 정량화한다.

제안 방법

• CMS의 뛰어난 양성자 재구성 능력과 질량 분辩도를 활용해 이중 뮤온 붕괴 채널을 통해 고운동량 및 전방 빠르기 영역에서 J/ψ 및 ψ(2S) 생성을 측정한다.
• 이중 뮤온 붕괴를 통해 Υ(1S), Υ(2S), Υ(3S) 상태를 재구성하여 다양한 충돌 시스템에서의 핵반응 수정 인자(R_AA) 및 상대 수확량을 결정한다.
• 이격된 병합점 재구성 기법을 사용해 J/ψ로 붕괴하는 B 메손을 식별함으로써, 제2의 J/ψ 붕괴를 통한 B 메손 R_AA 측정을 가능하게 한다.
• pT 및 중심성에 따라 J/ψ, B 메손, 경량 하드론의 R_AA를 계산하여 억제 패tern을 비교한다.
• pp, pPb 및 PbPb에서의 이벤트 다량도 함수에 따라 수확량 비율(예: Υ(2S)/Υ(1S))을 분석하여 최종 상태 효과 및 매질 유도 수정을 탐구한다.
• 색 스크리닝, 열적 분해, 캐머 퀘어크 재결합에 기반한 이론 모델과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 2.76 TeV 조건에서 PbPb 충돌에서 J/ψ 및 ψ(2S)의 억제는 pT 및 중심성에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 PbPb 충돌에서 저운동량 영역의 J/ψ 수확 증가 현상은 개방된 캐머 쿼크 재결합에 의한 캐러먼의 재생 때문인가?
• RQ3 중이온 충돌에서 Υ 상태의 순차적 억제에 대한 증거는 무엇이며, LHC와 RHIC 간에 어떻게 비교 가능한가?
• RQ4 pPb 충돌에서 공동 운반자 상호작용 또는 샤로윙과 같은 최종 상태 효과가 쿼크로니아 수확량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 매질 내에서 하드론(경량, D, B)의 억제에 대한 질량 계층은 어떻게 되며, 이는 에너지 손실 메커니즘에 대해 무엇을 시사하는가?

주요 결과

• PbPb 충돌에서 고운동량 영역(J/ψ, pT > 6.5 GeV/c)의 R_AA는 중심성 증가에 따라 양성화되며, 가장 중심적인 사건에서 R_AA ≈ 0.6을 나타낸다.
• 고운동량 영역에서 J/ψ의 R_AA는 거의 일정하며(최대 16 GeV/c까지), 지속적인 억제를 나타내지만, 저운동량 영역(J/ψ, pT < 4 GeV/c)에서는 RHIC 대비 수확 증가를 보이며 재생 현상이 있을 가능성이 높다.
• 중심적인 PbPb 충돌에서 저운동량 및 전방 빠르기 영역에서 ψ(2S)/J/ψ 수확량 비율이 증가하여, 자극 상태의 억제가 덜한 것으로 나타나 재생 현상과 일치한다.
• 순차적 억제가 관찰되었으며, R_AA(Υ(1S)) = 0.56 ± 0.08 ± 0.07로, LHC 에너지에서 더 강한 색 스크리닝가 일어나고 있음을 시사한다. 이는 RHIC의 STAR 측정값(0.71 ± 0.06 ± 0.09)보다 유의미하게 낮다.
• pPb 충돌에서 Υ(2S)/Υ(1S) 및 Υ(3S)/Υ(1S) 수확량 비율은 이벤트 다량도 증가에 따라 감소하며, 이는 최종 상태 효과가 기초 상태보다 자극 상태에 더 강하게 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• 저운동량 영역(pT < 10 GeV/c)에서 B 메손은 경량 하드론보다 덜 억제되며(R_AA(B) > R_AA(light hadrons)), 에너지 손실의 질량 계층을 나타내지만, 고운동량 영역에서는 두 시스템 간 억제 패턴이 일치한다.