[论文解读] Excited charmonium suppression in proton-nucleus collisions as a consequence of comovers

E. G. Ferreiro|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用 7

一句话总结

本文提出，由质子-核子碰撞中与粲偶素同时产生的共动强子（comoving hadrons）引起的末态相互作用，可解释在RHIC和LHC能量下，激发态$ψ(2S)$相对于$J/ψ$的增强抑制现象。与因形成时间限制而在高能下失效的核吸收机制不同，共动相互作用自然解释了由于$ψ(2S)$态更大、更弥散，与致密共动介质相互作用时间更长，从而导致更强抑制的现象。

ABSTRACT

Recent results from proton(deuteron)-nucleus collisions at RHIC and LHC energies have shown an unexpected suppression of excited quarkonium states as compared to their ground states. In particular, stronger suppression of the $ψ(2S)$ relative to the $J/ψ$ has been detected. Similar observations were made at lower energies and were easily explained by nuclear absorption. At higher energies, a similar explanation would violate the Heisenberg principle, since the calculations based on the uncertainty principle lead to a charmonium formation time expected to be larger than the nuclear radius, which results in identical nuclear break-up probability for the $ψ(2S)$ and $J/ψ$. On the contrary, this behavior is naturally explained by the interactions of the quarkonium states with a comoving medium. We present our results on $J/ψ$ and $ψ(2S)$ production for d+Au collisions at $\sqrt{s}=200$ GeV and for p+Pb collisions at $\sqrt{s}=5.02$ TeV.

研究动机与目标

• 解决在RHIC和LHC能量下，质子-核子碰撞中$ψ(2S)$相对于$J/ψ$的增强抑制现象之谜。
• 挑战传统核吸收解释，该解释因粲偶素形成时间超过核半径而在高能下失效。
• 证明与共动强子的末态相互作用可一致地解释观测到的抑制模式。
• 量化共动密度及其在高多重度p+Pb和d+Au碰撞中对顶子态的影响。
• 将这些密度与夸克-胶子等离子体阈值及小系统中集体效应进行对比。

提出的方法

• 通过与碰撞中产生的共动强子的末态相互作用，建模$J/ψ$和$ψ(2S)$的抑制。
• 采用共动场景，即$c\bar{c}$对在穿越核介质过程中与软强子（共动子）发生相互作用。
• 估计初始共动密度为$p+Pb（5.02 TeV）中约4 fm$^{-2}$，d+Au（200 GeV）中约2.5 fm$^{-2}$，归一化至碰撞重叠面积。
• 计算三维共动密度为$\rho^{co}(\tau) = \rho^{co}/\tau$，其中$\tau_0 = 1$ fm，得到p+Pb中约4 fm$^{-3}$，d+Au中约2.5 fm$^{-3}$。
• 将这些密度与夸克-胶子等离子体形成临界密度（$T_c \approx 170-190$ MeV时约2.6-3.75 fm$^{-3}$）进行比较。
• 认为由于$c\bar{c}$态的形成时间较长，共动相互作用在高能下占主导，而核吸收机制因无法在穿越时间内分辨$ c\bar{c}$对而失效。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在高能质子-核子碰撞中，$ψ(2S)$态的抑制程度强于$J/ψ$，尽管其尺寸更大、结合更弱？
• RQ2 为何传统核吸收解释在RHIC和LHC能量下失效？
• RQ3 与共动强子的末态相互作用能否解释p+Pb和d+Au等小系统中观测到的抑制模式？
• RQ4 在高多重度质子-核子碰撞中，初始共动密度是多少？与夸克-胶子等离子体阈值相比如何？
• RQ5 这些碰撞中致密的共动介质是否足以对顶子态产生显著的末态效应？

主要发现

• $ψ(2S)$在p+Pb（5.02 TeV）和d+Au（200 GeV）碰撞中的抑制程度强于$J/ψ$，这与高能下核吸收机制的预期相反。
• 由于洛伦兹增强效应，$c\bar{c}$对的形成时间在中快速度和前向快速度区域超过核半径，导致其在穿越过程中未被分辨，因此核吸收作为微分机制不成立。
• 共动密度估计为p+Pb中约4 fm$^{-2}$，d+Au中约2.5 fm$^{-2}$，在$\tau_0 = 1$ fm时三维密度约为4 fm$^{-3}$和2.5 fm$^{-3}$。
• 这些共动密度接近夸克-胶子等离子体形成临界密度（约2.6-3.75 fm$^{-3}$），表明存在瞬态致密物质条件。
• 共动场景为$ψ(2S)$的增强抑制提供了自然解释，因其更大的空间尺寸增加了与共动介质的相互作用概率。
• 该模型与实验数据一致，为小系统中近侧尖峰和顶子抑制现象提供了集体流或颜色玻璃凝聚态解释的替代方案。