[논문 리뷰] Systematics of Heavy Quark Production at RHIC

R. Vogt|ArXiv.org|2002. 03. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 RHIC에서 $pp$, $pA$, $AA$ 충돌을 이용한 체계적 프로그램을 제안하여, 샤도잉과 에너지 손실과 같은 핵 효과를 분리해내는 중량 쿼크 생성을 측정한다. $pp$ 단면적과 $pA/pp$ 이론적 비율을 측정함으로써 핵의 글루온 분포를 추출할 수 있으며, $c\overline{c}$는 $J/\psi$ 생성의 정규화로 사용되어, 쿼크-글루온 플라즈마 효과를 탐색하는 데 핵심적이다.

ABSTRACT

We discuss a program for systematic studies of heavy quark production in $pp$, $pA$ and $AA$ interactions. The $Q \bar Q$ production cross sections themselves cannot be accurately predicted to better than 50% at RHIC. For studies of deviations in $Q \bar Q$ production such as those by nuclear shadowing and heavy quark energy loss, the $pp$ cross section thus needs to be measured. We then show that the ratio of $pA$ to $pp$ dilepton mass distributions can provide a measurement of the nuclear gluon distribution. With total rates and nuclear shadowing under control it is easier to study energy loss and to use $c \bar c$ as a normalization of $J/ψ$ production.

연구 동기 및 목표

• RHIC에서 $pp$ 충돌에서 정확한 기준 $c\overline{c}$ 및 $b\overline{b}$ 생성 단면적을 확립하여, 쿼크onium 연구에서의 정규화로 활용한다.
• 핵의 샤도잉과 에너지 손실으로 인한 $Q\overline{Q}$ 생성의 이탈을 $pA$ 및 $AA$ 시스템에서 측정한다.
• $pA/pp$ 이론적 질량 비율을 핵의 글루온 분포 함수 탐색의 수단으로 사용한다.
• 중량 쿼크의 에너지 손실과 $D/B$ 메손 붕괴 기여를 고려함으로써 열 이론적 이론적 신호를 탐지할 수 있도록 한다.
• $c\overline{c}$가 쿼크-글루온 플라즈마 연구에서 $J/\psi$ 생성의 정규화 채널로 가능한지 평가한다.

제안 방법

• 현대의 부분자 분포 함수(MRST HO, CTEQ 5M, GRV 98 HO)와 이중 고차의 $\alpha_s$를 사용하여 $pp$에서의 NLO $Q\overline{Q}$ 총 단면적을 계산한다.
• NLO 단계에서 $\mu^2/m_Q^2$에 대한 로그 의존성과 $\eta = \hat{s}/4m_Q^2 - 1$에 의존하는 스케일링 함수 $f^{(k,l)}_{ij}(\eta)$를 통해 부분자 단면적을 기술한다.
• 부분자 단면적을 PDF와 컨볼루션하여 $\sigma_{pp}(s,m_Q^2) = \sum_{i,j} \int \frac{d\tau}{\tau} \delta(x_1x_2 - \tau) F_i^p(x_1,\mu) F_j^p(x_2,\mu) \hat{\sigma}_{ij}(\tau,m_Q^2,\mu^2)$를 구성한다.
• $c\overline{c}$ 및 $b\overline{b}$ 데이터와의 일치를 위해 $m_c$, $m_b$, $\mu$를 조정하여 최적의 일치를 이룬다.
• $pA/pp$ 이론 수확 비율을 사용하여 핵의 글루온 분포 함수 $R_g^A$를 추출한다. $R_{g}^{A} \propto \frac{dN_{\ell\ell}^{pA}}{dM} \big/ \frac{dN_{\ell\ell}^{pp}}{dM}$.
• $D$ 및 $B$ 메손 붕괴에 영향을 주는 에너지 손실 효과와 그 이론 스펙트럼에 미치는 영향을 분석하며, 특히 고 $p_T$ 영역에서의 영향을 중심으로 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RHIC에서 $c\overline{c}$ 및 $b\overline{b}$ 생성 단면적의 이론적 예측에 대한 불확도는 무엇이며, 이를 어떻게 줄일 수 있는가?
• RQ2 $pA/pp$ 이론 질량 비율을 사용하여 핵의 글루온 분포 함수를 어떻게 추출할 수 있는가?
• RQ3 중량 쿼크의 에너지 손실이 고-$p_T$ 이론 수확을 얼마나 억제하고, 열 이론 신호 탐지에 어떻게 편향을 주는가?
• RQ4 $c\overline{c}$ 생성이 $AA$ 충돌에서 $J/\psi$ 생성의 신뢰할 수 있는 정규화 채널이 될 수 있는가?
• RQ5 쿼크-글루온 플라즈마 내에서 쿼크onium 재결합이 $J/\psi$ 수확을 어떻게 증가시키며, 이를 어떻게 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• RHIC에서 $pp$ $c\overline{c}$ 단면적은 약 50%의 불확도를 예측하며, 정밀도 연구를 위해 직접 측정이 필요하다.
• MRST HO 및 CTEQ 5M PDF에 대해 $m_c = 1.4$ GeV 및 $\mu = m_c$일 때 데이터와 가장 좋은 일치를 이룬다. GRV 98 HO에 대해서는 $m_c = 1.3$ GeV 및 $\mu = m_c$일 때 최적의 일치를 달성한다.
• $pA/pp$ 이론 비율은 핵의 글루온 분포를 직접 탐색할 수 있는 수단이며, $3 \times 10^{-5} \leq \langle x_2 \rangle \leq 2 \times 10^{-4}$ 범위에서 $R_g^A$는 거의 $x$에 무관하다.
• 쿼크-글루온 플라즈마 내 복사 에너지 손실은 상당할 수 있으며, 10 GeV 중량 쿼크에 대해 $dE/dx \sim -5$ GeV/fm이며, 충돌에 의한 손실은 더 작다($\sim 1-2$ GeV/fm).
• 에너지 손실은 고-$p_T$ 및 고이론 질량 $Q\overline{Q}$ 쌍을 억제하여 이론 스펙트럼을 편향시키며, 교정이 이루어지지 않으면 열 이론 신호가 가려질 수 있다.
• $Z^0$ 또는 $\psi' / \psi$ 비율 대비 $c\overline{c}$ 수확이 $J/\psi$ 생성의 정규화 채널로 더 바람직하다. 이는 공통된 생성 메커니즘과 유사한 $\langle x \rangle$, $\langle \mu \rangle$ 값 덕분이다.