[論文レビュー] Hard probes in heavy ion collisions at the LHC: heavy flavour physics

M. Bedjidian, D. Blaschke+27 more|ArXiv.org|Nov 4, 2003

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 106被引用数 49

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるppおよびpA衝突における重いクォークおよびクォークォニアのベンチマーク断面積を提示し、クォーク-グルーオンプラズマ効果を研究するための基準を確立する。理論的不確実性を評価し、エネルギー損失や色スクリーニングを含む冷たいおよび熱い物質効果を分析し、ALICE、CMS、ATLASにおける検出器の性能についても詳細に記述する。

ABSTRACT

We present the results from the heavy quarks and quarkonia working group. This report gives benchmark heavy quark and quarkonium cross sections for $pp$ and $pA$ collisions at the LHC against which the $AA$ rates can be compared in the study of the quark-gluon plasma. We also provide an assessment of the theoretical uncertainties in these benchmarks. We then discuss some of the cold matter effects on quarkonia production, including nuclear absorption, scattering by produced hadrons, and energy loss in the medium. Hot matter effects that could reduce the observed quarkonium rates such as color screening and thermal activation are then discussed. Possible quarkonium enhancement through coalescence of uncorrelated heavy quarks and antiquarks is also described. Finally, we discuss the capabilities of the LHC detectors to measure heavy quarks and quarkonia as well as the Monte Carlo generators used in the data analysis.

研究の動機と目的

• LHCにおけるppおよびpA衝突における開放的重いフレーバーおよびクォークォニアの信頼できる基準断面積を確立し、AA衝突率の正規化を可能にする。
• NRQCDおよび色蒸発モデル予測を含む、重いクォークおよびクォークォニア生成モデルにおける理論的不確実性を評価する。
• 核吸収、パートオンエネルギー損失、およびコムーバー強化を含む、冷たい核物質効果がクォークォニア生成に与える影響を調査する。
• 色スクリーニングおよびクォーク-グルーオンプラズマ内での熱的解離を含む、熱い物質効果がクォークォニアに与える影響を分析する。
• LHC検出器（ALICE、CMS、ATLAS）の性能を、モンテカルロシミュレーションおよび検出器応答モデルを用いて評価する。特に、重いクォークおよびクォークォニア状態の識別能力を検証する。

提案手法

• 微小摂動QCDを用いてNLO重いフレーバー生成断面積を計算し、MNRとLO計算の結果を比較する。
• Pythia、Herwig、HIJINGなどのモンテカルロジェネレータを実装・調整し、重いフレーバーおよびクォークォニア生成、特にパートオンシャワイングおよびフラグメンテーションを含む。
• 脱コンfinement状態における統計的ハドロン化および運動論的メカニズムを用いてクォークォニア形成をモデル化し、凝集効果を評価する。
• 格子QCDおよび輸送モデルを用いて、物質中におけるクォークォニア解離率をシミュレートし、率係数および断面積を計算する。
• 完全な検出器シミュレーション（例：HIJINGベース）を用いて、ALICE、CMS、ATLASのインナートラッカーおよびミュオンスぺクトラメータにおける、占有度、受容能、再構成効率を推定する。
• 不変質量再構成およびバックグラウンド抑制技術（例：電子-ミュオン一致）を適用し、重イオン環境下でのクォークォニア信号を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるppおよびpA衝突における、開放的charmおよびbottomクォークおよびクォークォニア状態のベンチマーク断面積は何か？
• RQ2 NRQCDおよびCEMモデルにおける理論的不確実性は、LHCにおけるクォークォニア生成予測にどのように影響を与えるか？
• RQ3 核吸収およびコムーバー相互作用を含む冷たい核物質効果が、pA衝突におけるクォークォニア収量にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 色スクリーニングおよび熱的解離を含む、熱いQCD媒体効果がAA衝突におけるクォークォニア状態をどの程度抑制するか？
• RQ5 特に高多重度のPb+Pb環境下において、ALICE、CMS、ATLASの検出器は、重いクォークおよびクォークォニアを識別する能力をどの程度有しているか？

主な発見

• ppおよびpA衝突における開放的重いフレーバーおよびクォークォニアのベンチマーク断面積が提供され、AAデータの媒体効果を調べるための正規化が可能になる。
• NRQCDおよびCEMモデルにおける理論的不確実性が定量的に評価され、NRQCD予測は特に高スピン状態において実験データと良好な一致を示す。
• コムーバー強化は、特に外縁的衝突において真空中のものよりもクォークォニア生成率を上回る可能性がある。
• 格子QCD計算から、物質中におけるクォークォニア解離率は温度上昇に伴い著しく増加し、励起状態では特に顕著であることが示された。
• 検出器シミュレーションから、Pb+Pb衝突におけるインナートラッカーの占有度は、SCTレイヤーで0.2〜15％程度にとどまり、効果的なトラック再構成およびミュオン-ジェットマッチングによるb-ジェットタグが可能であることが示された。
• ATLASのミュオンスぺクトラメータは、単独のミュオンでは解像度が限られるが、インナートラッカー情報と組み合わせることで、Υ状態の識別に十分な解像度を有することが期待される。