[論文レビュー] Search for color charge dependence of energy loss at RHIC

B. Mohanty|arXiv (Cornell University)|May 7, 2007

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、RHICにおける重イオン衝突で、QCDにおけるパートンエネルギー損失の色荷重み依存性——特にグルーオンとクォークの間で予測される9:4のエネルギー損失比——が実験的に観測可能かどうかを調査する。高横動量ハドロンスペクトルおよび核修飾因子を用いて、クォークとグルーオンのジェット寄与が、$ R_{CP} $、$ \bar{p}/\pi $、$ R_{D/h} $ などの観測量に与える影響を検討し、現在のデータでは明確な信号が得られていないが、将来的な高$ p_T $、高ビームエネルギー、または重フレーバーおよび$ \phi $-メソン比を用いた測定により、この効果を明らかにできる可能性があると結論づける。

ABSTRACT

The non-Abelian feature of quantum chromodynamics (QCD) results in the gluons losing more energy than quarks in the medium formed in high energy heavy-ion collisions. Experimental results in p+p collisions when compared to NLO pQCD calculations show that at high transverse momentum (pT) the produced protons+anti-protons are dominantly from gluon jets and charged pions have substantial contribution from quark jets. If such a scenario is applied to heavy-ion collisions at RHIC, one would expect the difference in quark and gluon energy loss to have an effect on measured observables, such as high pT pbar(p)/pi ratios and the nuclear modification factor for various particles species. We discuss the experimental results and some possible future measurements.

研究の動機と目的

• RHICで生成されるクォーク-グルーオンプラズマにおける、グルーオンとクォークの間で予測される9:4のエネルギー損失比を実験的に検証することで、QCDの非アーベル性を検証すること。
• NLO pQCD計算とAKK分岐関数を用いて、高$ p_T $におけるクォーク対グルーオン支配ジェット寄与に敏感な実験的観測量を同定すること。
• 理論的期待としてグルーオンの結合定数が強いことから、現在のRHICデータに色荷重み依存性のエネルギー損失が検出可能かどうかを評価すること。
• 将来の測定——例えば$ R_{D/h} $、$ R_{\phi/h} $、およびアウェイサイド二ハドロン相関——を提案し、媒質誘発エネルギー損失における色因子効果を分離可能にする。

提案手法

• AKK分岐関数を用いたNLO pQCD計算を用いて、RHICにおける$ p+p $衝突における高$ p_T $ハドロンスペクトルへのグルーオンジェット寄与係数を推定する。
• グルーオンジェット寄与の$ p_T $依存性を分析し、メソンでは20–50%、バリオンでは>90%の寄与を示し、バリオンが主にグルーオン由来であることを特定する。
• $ \pi^+ + \pi^- $ と $ p + \bar{p} $ の核修飾因子$ R_{CP} $ を比較することで、クォーク対グルーオンエネルギー損失の違いに起因する影響を評価する。
• 重フレーバー中間子と軽フレーバー中間子の核修飾因子比$ R_{D/h} $ を評価し、色荷重み依存性のプローブとする。$ p_T > 14 $ GeV/$ c $ で$ R_{D/h} > 1 $ であれば、色荷重み依存性に起因する効果が示唆される。
• $ \phi $-中間子生成をs quarkの凝集によって記述し、$ R_{\phi/h} $ が色荷重み効果に敏感であることを検討する。
• アウェイサイド二ハドロン相関（$ \Delta\phi \sim \pi $）を検討し、クォーク対グルーオンエネルギー損失に起因する種別依存性の抑制パターンを検出可能かどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グルーオンとクォークの間で予測される9:4のエネルギー損失比——それぞれの色因子$ C_A = 3 $ および $ C_F = 4/3 $ に起因——が、RHICにおける高$ p_T $ハドロン抑制において観測可能かどうか。
• RQ2 現在の$ R_{CP} $、$ \bar{p}/\pi $、および$ p + \bar{p} $ と$ \pi^+ + \pi^- $ の$ R_{CP} $ 測定値に、クォーク-グルーオンエネルギー損失の違いに起因する乖離が見られるかどうか。
• RQ3 現在のデータに明確な信号が欠如している理由が、有限の$ p_T $、低$ Q^2 $ における$ \alpha_s $ スクリーニング効果、またはエネルギー損失のフラクチュエーションに起因しているかどうか。
• RQ4 高$ p_T $における重フレーバー中間子と軽フレーバー中間子の$ R_{D/h} $ 比が、エネルギー損失における色荷重み依存性のクリーンなプローブとして機能するかどうか。
• RQ5 $ \phi $-中間子と軽中間子の$ R_{CP} $ 比、またはアウェイサイド二ハドロン相関における種別依存性の抑制が、パートンエネルギー損失の色荷重み依存性を明らかにできるかどうか。

主な発見

• 高$ p_T $領域ではバリオンは90%以上がグルーオンジェット由来であり、グルーオンエネルギー損失の優れたプローブである。一方、メソンは20–50%のクォークジェット寄与を示し、クォークエネルギー損失の影響が顕著に現れる。
• 現在の$ \pi^+ + \pi^- $ と$ p + \bar{p} $ の$ R_{CP} $ 測定値、および$ \bar{p}/\pi $ 比には、クォーク-グルーオンエネルギー損失の違いに起因する予想される乖離が観測されていない。これは、効果が隠蔽されたり、抑制されている可能性を示唆する。
• 高$ p_T $における重フレーバー中間子と軽フレーバー中間子の$ R_{D/h} $ 比は、$ p_T > 14 $ GeV/$ c $ で1を超える。これは、色荷重み依存性に起因するエネルギー損失の効果が唯一説明可能な予測である。
• $ \phi $-中間子と軽中間子の$ R_{CP} $ 比はs quarkのエネルギー損失に敏感であり、特に$ \phi $ 中間子が凝集によって主にs quark由来であることを踏まえると、色荷重み効果を明らかにできる可能性がある。
• エネルギー損失のフラクチュエーションおよびRHICにおける有限な$ \alpha_s $ 値（0.2–0.4）により、有効な$ \Delta E_g / \Delta E_q $ 比は9/4未満に低下しており、効果を解明するにはより高い$ p_T $ やビームエネルギーが必要であると示唆される。
• 識別された粒子を用いたアウェイサイド二ハドロン相関は、クォーク対グルーオンエネルギー損失に起因する種別依存性の抑制パターンを明らかにでき、クォーク対グルーオンエネルギー損失の色荷重み依存性を検出可能とする、新たな実験的シグネチャーを提供する可能性がある。