[論文レビュー] Suppression of the LHC $p/\pi$ ratio due to the QCD mass spectrum

Jacquelyn Noronha-Hostler, Carsten Greiner|arXiv (Cornell University)|May 28, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、LHCで観測された抑制された陽子対パイオン比（$p/\pi$）が、陽子がスイッチング温度で過小占有されている際のハドロンガス相における動的化学平衡によって生じると提案している。陽子が過小占有されている状況で、質量スペクトルが指数関数的である高励起状態（Hagedorn状態）を組み込むことで、他の比（$K/\pi$ や $\Lambda/\pi^+$）が過小占有されないまま $p/\pi$ の抑制を再現できる。これは、遅い段階のハドロン系ダイナミクスにおいて、拡張された質量スペクトルが果たす役割を強調している。

ABSTRACT

Recent measurements of the proton to pion ratio at $\\sqrt{s}_{NN}=2.7$ TeV by the ALICE collaboration at the LHC have found it to be lower than predictions from thermal fits. In this paper we investigate the role that the extended mass spectrum via Hagedorn states- massive resonances that follow an exponential mass spectrum and possess large decay widths- play in the determination of particle ratios at LHC through a scenario of multi-particle reactions and dynamical chemical equilibrium within the hadron gas phase. We show that it is possible to describe the lower $p/\\pi$ ratio at LHC while still obtaining the experimental ratio of $K/\\pi$ and $\\Lambda/\\pi^+$ in the Hagedorn state scenario if the protons are underpopulated at the switching temperature from hydrodynamics to the hadron gas phase.

研究の動機と目的

• LHCで観測された $\sqrt{s}_{NN} = 2.7$ TeV における $p/\pi$ 比の抑制と、熱的モデルの予測との乖離を解消すること。
• 指数的質量スペクトルと大きな幅を持つ未測定の共鳴状態（Hagedorn状態）が、$p/\pi$ の抑制を説明しつつ、他の粒子比を維持できるかどうかを調査すること。
• Hagedorn状態を介した多ハドロン反応によって駆動されるハドロンガス相における動的化学平衡が、実験的粒子比を再現できるかどうかを検証すること。
• 粒子比がスイッチング温度、崩壊幅、Hagedornスペクトルの最大質量にどの程度敏感であるかを評価すること。

提案手法

• 熱的に整合性のある共鳴ガスモデルに基づいて導かれた、Hagedorn状態が触媒する多ハドロン反応を含むレート方程式を用いてハドロンガス相をモデル化する。
• Lattice QCDデータとの一致が知られているHagedorn共鳴ガスの限界に基づき、$T_{\text{sw}} = 155$ MeV（165 MeVでも検証）をスイッチング温度として採用する。
• Bjorkenに類似た膨張火炎球モデルを用い、径方向の流れと加速度を考慮して流体力学的段階をシミュレートし、$T_{\text{sw}}$ でハドロンガス相に移行する。
• 実験的粒子比に一致させるために、終了温度 $T_{\text{end}}$ を自由パラメータとして調整し、平均で $T_{\text{end}} \approx 130$ MeV となるように設定する。
• 詳細なバランスを保証するため、レート方程式に生成項と消失項の両方を含める。これは正しい化学平衡ダイナミクスに不可欠である。
• Hagedorn状態のパラメータ（最大質量 $M_{\text{max}}$、崩壊幅 $\Gamma$、崩壊分岐比（例：2体崩壊対多ハドロン崩壊））を変化させてモデルをテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロンガス相にHagedorn状態を含めることで、$K/\pi$ や $\Lambda/\pi^+$ 比との整合性を損なわず、LHCにおける $p/\pi$ 比の抑制を説明できるか？
• RQ2 陽子がスイッチング温度で初期的に過小占有されている場合、Hagedorn状態による動的化学平衡が、粒子比の整合的記述を可能にするか？
• RQ3 粒子比がHagedornスペクトルのパラメータ（最大質量や崩壊幅）にどの程度敏感か？
• RQ4 スイッチング温度で完全な化学平衡が仮定されていなくても、モデルが実験的比を再現できるか？
• RQ5 Hagedorn状態の多ハドロン崩壊が、遅い段階の粒子生成と化学平衡を駆動する役割を果たすか？

主な発見

• 陽子がスイッチング温度 $T_{\text{sw}} = 155$ MeV で過小占有されている場合でさえ、ハドロンガス相で完全な化学平衡が成立しているとしても、$p/\pi$ 比は抑制される。
• 陽子が過小占有されている場合に、$K/\pi$ および $\Lambda/\pi^+$ 比を同時に再現できることから、複数の粒子比にわたる整合性が裏付けられる。
• 終了温度 $T_{\text{end}}$ はモデル依存的であり、平均で $\approx 130$ MeV となるが、最大質量や崩壊幅を増加させることで $140-150$ MeV まで引き上げられる。
• 粒子比は非常に小さな崩壊幅に敏感である。ある閾値未満では、$K/\pi$ および $\Lambda/\pi^+$ 比を再現できず、共鳴状態の幅に下限がある可能性を示唆している。
• スイッチング温度を $T_{\text{sw}} = 165$ MeV に引き上げると、データとの一致が悪化する。これは $T_{\text{sw}} = 155$ MeV がHagedorn共鳴ガス記述のより一貫した境界であることを支持する。
• レート方程式に生成項と消失項の両方を含めることが不可欠である。詳細なバランスが欠如すると、化学平衡状態であっても $p/\pi$ が過小占有されてしまう。