[논문 리뷰] A study of charm quark correlations in ultra-relativistic $p$ + $p$ collisions with PYTHIA

S. S. Shi, X. Dong외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 02.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 √s = 200, 500, 및 5500 GeV에서 p+p 충돌에서 D-메손과 전자 상관관계를 PYTHIA 8.168을 사용해 시뮬레이션하며, D–e 상관관계에서 쿼크 상관관계가 도우미 측면 피크를 지배하는 것으로 나타났고, LHC 에너지에서는 바텀 쿼크 기여가 유의미해져 쿼크 상관관계의 순도가 감소함을 발견하였다. 결과적으로, RHIC 에너지에서는 D–e 상관관계가 초기 c–c̄ 쌍 상관관계를 탐색하는 데 유용하지만, LHC 에너지에서는 바텀 기여로 인해 그 유용성이 제한되며, 고에너지에서는 B–B̄ 상관관계가 더 나은 탐색 도구가 될 것으로 제안된다.

ABSTRACT

Measurements of heavy flavor quark (charm and bottom) correlations in heavy ion collisions are instrumental to understand the flavor dependence of energy loss mechanisms in hot and dense QCD media. Experimental measurements of these correlations in baseline $p$+$p$ collisions are crucial to understand the contributions of perturbative and non-perturbative QCD processes to the correlation functions and further help in interpreting correlation measurements in heavy ion collisions. In this paper, we investigate $D$-$\bar{D}$ meson correlations and $D$ with one particle from $D$ meson decay daughter correlations using PYTHIA Event Generator in $p$ + $p$ collisions at $\sqrt{s}$ = 200, 500 and 5500 GeV. Charm/bottom events are found to contribute mainly to the away side/near side pattern of $D$-electron correlations, respectively. In the energy region of RHIC, $D$-$\bar{D}$ correlations inherit initial $c$-$\bar{c}$ correlations and $B ightarrow DX$ decay contribution is insignificant. Furthermore, Bottom quark correlations are suggested to be applicable at LHC energy, as the bottom contributions on $D$ related correlations are relatively large.

연구 동기 및 목표

• p+p 충돌에서 양자 chromodynamics(QCD)의 도파믹 및 비도파믹 과정이 쿼크 상관관계에 미치는 기여를 이해하여, 고에너지 충돌 연구의 기초 자료를 확보하기 위해.
• 초고속 p+p 충돌에서 초기 c–c̄ 쌍 상관관계를 탐색하기 위해 D–e 및 D–하드론 상관관계의 가능성 평가하기 위해.
• 증가하는 충돌 에너지에서 고차원 pQCD 및 바텀 쿼크 붕괴가 상관관계 함수에 미치는 영향 평가하기 위해.
• D–D̄ 및 D–전자 상관관계 패tern에서 쿼크 상관관계의 에너지 의존성 규명하기 위해.
• 다양한 에너지에서 p+p 및 고에너지 충돌에서의 중량 쿼크 상관관계 실험 측정을 안내하기 위해 최적의 관측량 식별하기 위해.

제안 방법

• PYTHIA 8.168 이벤트 생성기의 매개변수를 조정하여 √s = 200, 500, 및 7000 GeV에서 D⁰ 및 D* 생성 횡단면을 실험 결과와 일치시키기 위해 αs 및 pTHatMin 매개변수를 조정하였다.
• √s = 200, 500, 및 5500 GeV에서 시뮬레이션을 수행하였으며, 5500 GeV 설정은 직접 데이터가 없어 7000 GeV 설정을 기반으로 하였다.
• D–D̄, D–K, D–e(비광자 전자), 및 e–D 쌍에 대해 상관관계 함수를 계산하였고, 이완각(Δφ) 분포를 분석하였다.
• 운동학적 절단 조건과 몬테카를로 기법을 사용하여 붕괴 기여를 분리하고, 쿼크 기원(구리 쿼크 또는 바텀 쿼크)을 구분하였다.
• 다양한 pT 임계값에서 총 D–D̄ 쌍 중 직접 D–D̄ 쌍의 비율을 계산하여 바텀 쿼크 기여의 정도를 정량화하였다.
• RHIC 및 LHC 에너지 간 비교를 통해 상관관계 패턴과 배경 기여의 에너지 의존성 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RHIC 및 LHC 에너지에서 p+p 충돌에서의 D–D̄ 및 D–전자 상관관계 함수에 어떻게 初기 c–c̄ 상관관계가 나타나는가?
• RQ2 고차원 pQCD 과정 및 비도파믹 분해가 초기 뒤이어지는 쿼크 상관관계를 얼마나 넓히는가?
• RQ3 증가하는 충돌 에너지에서 바텀 쿼크 붕괴(B → D)는 D–전자 및 D–D̄ 상관관계 함수의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 특히 LHC 에너지에서 D–전자 상관관계가 도우미 측면 영역에서 쿼크 상관관계를 신뢰성 있게 분리할 수 있는가?
• RQ5 다양한 pT 임계값 및 중심질량 에너지에서 바텀 쿼크 붕괴가 D–D̄ 쌍에 미치는 상대 기여는 얼마인가?

주요 결과

• RHIC 에너지(√s = 200 GeV)에서 D–D̄ 상관관계는 初기 c–c̄ 뒤이어지는 패턴을 그대로 간직하며, pT < 3 GeV/c에서 D–D̄ 쌍에 대한 바텀 쿼크 기여는 4% 미만이다.
• LHC 에너지(√s = 5500 GeV)에서 D–D̄ 상관관계의 가까이 피크 크기가 도우미 측면 피크와 유사해져 고차원 pQCD 및 바텀 쿼크 기여로 인한 심한 흐릿함이 나타남을 시사한다.
• D–비광자 전자 상관관계에서는 쿼크 사건이 도우미 측면 패턴을 지배하지만, 바텀 사건이 특히 높은 pT 절단에서 가까이 피크 패턴을 지배한다.
• √s = 5500 GeV에서 pT 절단 6 GeV/c일 때 D–D̄ 쌍에 대한 바텀 붕괴 기여 비율은 약 15%에 이르며, √s = 200 GeV일 때는 5% 미만이다.
• √s = 5500 GeV에서 고차원 pQCD 및 바텀 기여로 인해 D–e 상관관계 함수가 거의 평탄해지며, 이는 初기 c–c̄ 상관관계에 대한 민감도가 감소함을 의미한다.
• 바텀 쿼크 상관관계(특히 B–B̄)는 더 큰 생성 횡단면과 더 깔끔한 신호 패턴 덕분에 LHC 에너지에서 실험 연구에 더 적합한 것으로 나타났다.