[論文レビュー] Jet evolution in a dense QCD medium

Paul Caucal|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2020

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 265被引用数 7

ひとこと要約

本学位論文は、密度の高いクォーカー・グルーオン・プラズマにおける真空中の放射と媒体誘発放射を一貫して組み合わせる新規のマコフ連鎖モンテカルロ部分線ショワー、JetMedを構築した。重イオン衝突におけるジェット遮蔽を説明するため、媒体の相互作用が真空中の放射位相空間を縮小し、角度順序を破ることで、ソフトおよびハードなフラグメンテーションが強化されることを示した。このモデルは、LHCで測定された$R_{AA}$、$z_g$、およびフラグメンテーション関数と定量的に一致した。

ABSTRACT

To probe the properties of the quark-gluon plasma created in heavy-ion collisions, a very useful class of observables refers to the propagation of energetic jets. A jet is a collimated spray of particles generated via successive parton branchings, starting with a virtual quark or gluon produced by the collision. When such a jet is produced in the dense environment of a nucleus-nucleus collision, its interactions with the surrounding medium lead to a modification of its properties, phenomenon known as jet quenching. In this thesis, we develop a new theory to describe jet quenching. We compute for the first time the effects of the medium on multiple vacuum-like emissions, that is emissions triggered by the virtuality of the initial parton. We present a new physical picture for jet evolution, with notably a factorisation in time between vacuum-like emissions and medium-induced emissions. This picture is Markovian, hence well suited for a Monte Carlo implementation that we develop in the parton shower JetMed. We then investigate the phenomenological consequences of our new picture on jet observables and especially the jet nuclear modification factor $R_{AA}$, the Soft Drop $z_g$ distribution and the jet fragmentation function. Our Monte Carlo results prove to be in good agreement with the LHC measurements.

研究の動機と目的

• 密度の高いQCD媒体、特に重イオン衝突におけるジェット遮蔽のための一貫した理論的枠組みを構築すること。
• 媒体の相互作用が真空的部品線ショワーに与える影響、特に位相空間の抑制と角度順序の破壊を記述すること。
• 真空的および媒体誘発放射を統合するマコフ連鎖的でモンテカルロ互換性を持つ部分線ショワー（JetMed）を構築すること。
• LHCで測定されたジェット核修正係数$R_{AA}$、Soft Dropの$z_g$分布、およびジェットフラグメンテーション関数を再現・解釈すること。
• 核物質におけるジェットフラグメンテーションの増幅の物理的起源を特定し、エネルギー損失と媒体誘発放射の効果を区別すること。

提案手法

• 摂動QCDにおける二重対数近似を用い、初期部品線の仮想的質量に起因する真空中の部分線放射に対する媒体内効果を計算する。
• 真空中の放射と媒体誘発分岐の間で時間的要因分解を新たに導出し、マコフ構造を可能にする。
• 媒体修正されたSudakov形式因子を用いて、両放射タイプを一貫して組み合わせたJetMedモンテカルロ生成器を構築する。
• 走る結合定数とバイト領域を、修正された対数的面積積分を用いて組み込み、媒体修正Sudakov形式因子の解析的表現を導出する。
• ベッセル関数と指数積分の漸近的形を用いて、媒体内進化方程式を解き、媒体対真空中放射率比を導出する。
• LHCデータ（$R_{AA}$、$z_g$、フラグメンテーション関数）との比較を通じてモデルを検証し、新しい赤外・衝突安全なサブジェットフラグメンテーション観測量を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 媒体の相互作用は、クォーカー・グルーオン・プラズマ内での真空中の部分線ショワーの位相空間と角度順序にどのように影響するか？
• RQ2 媒体誘発放射の定量的影響は、重イオン衝突におけるジェットエネルギー損失とフラグメンテーションパターンにどのように現れるか？
• RQ3 非同調的エネルギー損失と硬い媒体誘発放射の相互作用は、$pp$およびPb-Pb衝突における$z_g$分布にどのように寄与するか？
• RQ4 なぜ核衝突においてジェットフラグメンテーション関数は、高エネルギー分率および低エネルギー分率の両方で増幅するのか？
• RQ5 サブジェットフラグメンテーションに基づく新しい赤外・衝突安全な観測量は、媒体効果のより明確なプローブを提供できるか？

主な発見

• ジェットのエネルギー損失は、横運動量の増加に伴い真空中の放射の増加により増大し、$R_{AA}$の抑制パターンを再現するために不可欠である。
• $z_g$分布は、非同調的ジェットエネルギー損失と硬い媒体誘発放射という二つの主要な効果によって形作られ、両者とも分布の拡張に寄与している。
• フラグメンテーション関数は、高$z$および低$z$の両方で顕著な増幅を示し、ハードフラグメンテーション成分はエネルギー損失によって駆動され、ソフトフラグメンテーション成分は角度順序の破壊と硬い媒体誘発放射によって駆動される。
• 本モデルは、ジェットの横運動量と中央度にわたる$LHC$の$R_{AA}$および$z_g$測定値を成功裏に再現し、時間的要因分解された放射の新しい物理的図像を検証した。
• 新しいサブジェットフラグメンテーション観測量は、構成上赤外・衝突安全であり、ハドロン化効果への感受性が低く、今後の実験的比較のための核修正係数が予測された。
• 媒体対真空中放射率比$\mathcal{R}_i(X)$は、低$\omega$（低仮想的質量）で増加し、実験的観測と一致するように、ソフト領域での媒体効果が強化されている。