[论文解读] Calibrating the In-Medium Behavior of Quarkonia

Helmut Satz|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2013

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出了一种无需依赖模型的底夸克偶素产生校准方法，通过比较 $J/\psi$ 产率与粲夸克-反粲夸克（open charm）产生率，利用比值 $R_{AA}(J/\psi)/R_{AA}(c\bar{c})$ 作为 $J/\psi$ 的存活概率。关键结果表明，在LHC和RHIC的高 $P_T$ 区域，该比值为1，表明 $J/\psi$ 未受到抑制或增强；然而在RHIC的低 $P_T$ 区域，观察到 $J/\psi$ 抑制，这是由于 $c\bar{c}$ 产生率降低所致，提示介质效应具有明显的动量依赖性。

ABSTRACT

Quarkonium production has been considered as a tool to study the medium formed in high energy nuclear collisions, assuming that the formation of a hot and dense environment modifies the production pattern observed in elementary collisions. The basic features measured there are the relative fractions of hidden to open heavy flavor and the relative fractions of the different hidden heavy flavor states. Hence the essential question is if and how these quantities are modified in nuclear collisions. We show how the relevant data must be calibrated, i.e., what reference has to be used, in order to determine this in a model-independent way.

研究动机与目标

• 解决长期以来由于依赖模型的参数化方式而对核碰撞中底夸克偶素抑制现象解释不清的问题。
• 建立一个不依赖于部分子动力学或束缚机制理论假设的介质效应参考框架。
• 澄清在重离子碰撞中观测到的 $J/\psi$ 抑制究竟是由介质效应引起，还是由 $c\bar{c}$ 产生过程的改变所致。
• 提供一个稳健的实验可观测量——$J/\psi$ 存活概率——基于可测量的 $J/\psi$ 与开放粲夸克产率之比。

提出的方法

• 将 $J/\psi$ 存活概率定义为比值 $S_{J/\psi} = \left( N_{AA}(J/\psi)/N_{AA}(c\bar{c}) \right) / \left( N_{pp}(J/\psi)/N_{pp}(c\bar{c}) \right) $，该定义与模型无关。
• 利用 $J/\psi$ 和开放粲夸克（$c\bar{c}$）的 $R_{AA}$ 比值，比较在相同中心度和动量条件下的 $AA$ 与 $pp$ 碰撞中的产率。
• 采用颜色蒸发模型，通过一个常数 $g_{c\bar{c} \to J/\psi}$ 将 $c\bar{c}$ 产生与 $J/\psi$ 产率关联，假设该分支比在能量上保持不变。
• 在相同的 $P_T$ 和快度区间内关联 $J/\psi$ 与 $c\bar{c}$ 的产生速率，以分离介质效应与初态效应的影响。
• 利用LHC和RHIC（PHENIX、STAR）的实验数据，在不同动量区域测试该方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何对核碰撞中的底夸克偶素产生进行校准，以提取关于介质效应的无模型依赖信息？
• RQ2 在重离子碰撞中观测到的 $J/\psi$ 抑制是由于介质诱导的解离，还是由于 $c\bar{c}$ 产生过程的改变？
• RQ3 在不同动量区域，$J/\psi$ 存活概率是否保持恒定，还是依赖于 $P_T$ 和快度？
• RQ4 初态效应（如阴影效应或能量损失）在多大程度上影响 $J/\psi$ 与开放粲夸克的产率比？

主要发现

• 在LHC的 $pp$ 和 $AA$ 碰撞中，高 $P_T$ 区域的比值 $R_{AA}(J/\psi)/R_{AA}(c\bar{c})$ 为1，表明 $J/\psi$ 产率相对于开放粲夸克未受到抑制或增强。
• 在RHIC的 $Cu-Cu$ 碰撞中，低 $P_T$ 区域的 $R_{AA}(J/\psi)$ 随中心度增强而显著下降，而 $R_{AA}(c\bar{c})$ 保持接近1，表明 $J/\psi$ 产率相对于开放粲夸克受到抑制。
• $J/\psi$ 存活概率 $S_{J/\psi}$ 在高 $P_T$ 区域为1，证实无介质诱导的抑制；但在最中心的碰撞中，低 $P_T$ 区域的值降至约25%，表明存在强烈抑制。
• 低 $P_T$ 区域观测到的抑制很可能是由于前向快度区域的 $c\bar{c}$ 产生率降低所致，而非 $J/\psi$ 的解离，因为 $pA$ 和 $AA$ 碰撞中均观察到 $c\bar{c}$ 产率的抑制。
• 费米实验室 $pA$ 碰撞的数据表明，前向快度区域的开放粲夸克也受到抑制，与RHIC中 $J/\psi$ 抑制的动量依赖性一致。