[論文レビュー] Effect of three-body elastic scattering on heavy quark momentum degradation in the quark-gluon plasma

W. Liu, C. M. Ko|ArXiv.org|Mar 2, 2006

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、摂動的QCDを用いて、クォーク-グルーオンプラズマ（QGP）内における重いクォークの運動量の減衰に、三体弾性散乱が果たす役割を調査する。三体散乱は、charmクォークのエネルギー損失に顕著な寄与をし、bottomクォークでは支配的になると判明した。これらの過程を含めることで、$√{s_{NN}}=200$ GeVのAu+Au衝突における理論的電子$R_{AA}$スペクトルとRHIC実験データとの一致が向上した。

ABSTRACT

Heavy quark drag coefficients in the quark-gluon plasma are evaluated in the perturbative QCD. It is found that for charm quarks the contribution from three-body elastic scattering is comparable to those from two-body elastic and radiative scatterings while for bottom quarks it becomes dominant. Using a schematic expanding fireball model, effects of both two-body and three-body scatterings on the transverse momentum spectra of heavy quarks produced in Au+Au collisions at center of mass energy $\sqrt{s_{NN}}=200$ GeV are studied. Results on electrons from resulting heavy meson decays are compared with available experimental data.

研究の動機と目的

• QGP内における三体弾性散乱の重いクォークの運動量減衰への寄与を評価すること。
• RHICにおける高運動量電子の抑制に関する摂動的QCDの予測と実験データとの乖離を解消すること。
• 三体過程が観測された強い抑制および大きな楕円流を説明できるかを評価すること。
• charmクォークとbottomクォークに対して、二体散乱と三体散乱のメカニズムの相対的な重要性を比較すること。
• 二体相互作用を超える高次の散乱過程を含めることで、重いクォークのエネルギー損失の理論的モデルを改善すること。

提案手法

• グルーオンとクォークの熱的質量を用いて、摂動的QCDを用いてQGP内における重いクォークの衝突幅を計算し、二体弾性散乱および放射性散乱を含む。
• 重いクォーク、軽いクォーク、反クォーク、グルーオンを含む三体弾性散乱の図を評価し、主に$t$-チャネルのグルーオン交換を支配的メカニズムとみなす。
• QGPの時間発展をシミュレートするための模式的な拡張する火炎球モデルを用い、運動量減衰の有効な抵抗係数を計算する。
• Fokker-Planckアプローチを用いて、散乱過程の累積的効果に基づき、重いクォークの最終的横運動量スペクトルを導出する。
• 初期状態と最終状態のスペクトルを比較することで、重いメソンの崩壊からの電子の核修正係数$R_{AA}$を計算する。
• 中心的Au+Au衝突におけるPHENIXおよびSTARの実験データと照合し、$√{s_{NN}}=200$ GeVでの$R_{AA}$の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QGP内における重いクォークの運動量減衰において、三体弾性散乱は二体弾性散乱および放射性散乱に比べてどの程度顕著な寄与を示すか？
• RQ2 三体散乱は、RHICにおけるAu+Au衝突における高運動量電子の抑制を説明できるか？
• RQ3 なぜ三体散乱の寄与はcharmクォークよりもbottomクォークに対して顕著に現れるのか？
• RQ4 三体散乱を含めることで、理論的$R_{AA}$予測と実験データとの一致が向上するか？
• RQ5 QGP内における三体重いクォーク散乱の支配的トポロジー図構造は何か？

主な発見

• charmクォークでは、三体弾性散乱は二体弾性散乱および放射性散乱と同程度の運動量減衰への寄与を示す。
• bottomクォークでは、三体散乱がQGP内での運動量損失の支配的寄与となる。
• 三体散乱を含めることで、理論的$R_{AA}$がPHENIXおよびSTARの実験データと妥当な一致を示すようになった。
• 異なるフレーバーの軽いクォークおよび反クォークによる三体散乱のみを含む電子$R_{AA}$は、実験データの上側誤差範囲に近い値を示す。
• 重いクォークの幅は運動量および温度に比例して線形に増加し、$T=350$ MeVおよび$p=4$ GeV/$c$で約130 MeVに達するが、主に二体過程による。
• 支配的三体過程は、$Qgq \to Qgq$または$Qg\bar{q} \to Qg\bar{q}$で$t$-チャネルグルーオン交換が支配的であり、この近似のさらなる検証の必要性を示唆している。