[论文解读] Heavy flavors under extreme conditions in high energy nuclear collisions

Jiaxing Zhao, Kai Zhou+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用 7

一句话总结

本文研究了高能核碰撞中重夸克作为夸克-胶子等离子体（QGP）探针的行为，通过输运模型与结合模型分析其在极端条件下的表现。结果表明，开放与闭合重夸克的横动量依赖性核子修正因子——尤其是硬成分的抑制与软成分的再结合——是QGP形成的显著特征，强电磁场与旋转场进一步改变了夸克偶素的产生与流。

ABSTRACT

Heavy flavor hadrons have long been considered as a probe of the quark gluon plasma created in high energy nuclear collisions. In this paper we review the heavy flavor properties under extreme conditions and the realization in heavy ion experiments. After a short introduction on heavy flavor properties in vacuum, we emphasize the cold and hot nuclear matter effects on heavy flavors, including shadowing effect, Cronin effect and nuclear absorption for the former and Debye screening and regeneration for the latter. Then we discuss, in the frame of transport and coalescence models, these medium induced changes in open and closed heavy flavors in nuclear collisions and the comparison with nucleon-nucleon collisions. Considering the extremely strong electromagnetic and rotational fields generated in non-central nuclear collisions, which are widely studied in recent years, we finally investigate their effects on heavy flavor production and evolution in high energy nuclear collisions.

研究动机与目标

• 理解重夸克强子如何作为高能核碰撞中形成的夸克-胶子等离子体（QGP）的探针。
• 研究冷核物质效应（阴影效应、Cronin效应、核吸收）与热核物质效应（屏蔽效应、再结合）对开放与闭合重夸克的影响。
• 考察非中心重离子碰撞中强电磁场与旋转场对重夸克产生与演化的影响。
• 确定输运模型与结合模型如何定量描述A+A、p+p与p+A碰撞中重夸克可观测量。
• 评估横动量分布与核子修正因子对QGP形成与介质性质的敏感性。

提出的方法

• 采用包含碰撞能量损失与辐射能量损失的输运模型，模拟重夸克在QGP中的演化过程。
• 应用统计强子化模型与结合机制，描述重夸克演化为开放与闭合重夸克强子的过程。
• 使用包含解离与再结合项的耦合输运方程，初始条件经冷核物质效应修正。
• 通过自旋-磁相互作用、势能形变与超外围碰撞中的光致产生，建模电磁场对重夸克偶素的影响。
• 通过将倾斜的流体动力学方程与重夸克输运方程耦合，将形式化扩展至旋转场。
• 求解耦合方程组，计算A+A、p+p与p+A碰撞中核子修正因子与椭圆流等可观测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 冷核物质效应（如阴影效应、Cronin效应、核吸收）在多大程度上改变了核碰撞中重夸克的初始产生？
• RQ2 QGP中的屏蔽效应与再结合过程在多大程度上改变了开放与闭合重夸克的末态分布？
• RQ3 核子修正因子的横动量依赖性在RHIC与LHC能量下如何表征QGP存在与再结合效应？
• RQ4 强电磁场与旋转场对非中心重离子碰撞中重夸克对动力学与夸克偶素产生的影响是什么？
• RQ5 电导率与场寿命如何影响电磁场在重夸克演化中持续存在并产生可观测影响？

主要发现

• 夸克偶素平均横动量平方的核子修正因子从SPS的大于1，转变为RHIC的约1，再到LHC的小于1，表明抑制与再结合主导作用的转变。
• 夸克偶素的再结合增强了横动量分布的软成分，且在高能下成为主导，是QGP形成的明确信号。
• 电磁场引起夸克偶素单态与三重态之间的自旋混杂，并通过夸克拉莫磁矩改变夸克偶素质量，对质量谱产生可观测影响。
• 电磁场导致重夸克势能形变，从而在大横动量区域产生显著的椭圆流，可在高能碰撞中观测到。
• 超外围碰撞中，由于纯电磁相互作用，$J/\bar{\psi}$在低横动量区域显著增强，尤其在$\psi(2S)$通道中更为明显。
• QGP中高电导率延长了电磁场寿命，使其在衰减前对重夸克可观测量产生可测量的影响。