[论文解读] Linear Boltzmann transport for jet propagation in the quark-gluon plasma: Inelastic processes and jet modification

Tan Luo, Yayun He+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2023

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 87被引用 4

一句话总结

本文提出了一种线性玻尔兹曼输运（LBT）蒙特卡罗模型，用于模拟喷射流在夸克-胶子等离子体（QGP）中的传播，通过高阶扭数形式体系纳入了弹性散射和介质诱导的胶子辐射。结果表明，辐射胶子和反冲部分子的再散射对于重现喷射锥边缘附近软强子产额的增强现象至关重要，该模型在RHIC和LHC能量下成功验证了喷射抑制、二喷射不对称性以及γ-喷射关联数据。

ABSTRACT

A Linear Boltzmann Transport (LBT) Monte Carlo model has been developed to describe jet propagation and interaction with the quark-gluon plasma (QGP) in relativistic heavy-ion collisions. A complete set of elastic scattering processes and medium-induced gluon emissions based on the higher-twist formalism are incorporated for both jet shower and medium recoil partons. It has been employed to describe experimental data on large transverse momentum hadron and jet spectra, correlation and jet substructures in high-energy heavy-ion collisions. We document in detail the structure of the model and validation of the Monte Carlo implementations of the physics processes in LBT, in particular, the inelastic process of medium-induced gluon radiation. We carry out a comprehensive examination of the jet-medium interaction as implemented in LBT through energy loss and momentum broadening of a single hard parton, the energy and transverse momentum transfer from leading partons to medium-induced gluons and jet-induced medium excitation, and medium modification of reconstructed jets in a static and uniform medium. With realistic and event-by-event hydrodynamic medium in heavy-ion collisions, we compute and compare to experimental data on the jet cone-size dependence of the single inclusive jet suppression at both Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) and the Large Hadron Collider (LHC), the dijet asymmetry at LHC and $γ$-jet correlation at RHIC. Effects of medium-induced gluon emissions and jet-induced medium excitation on jet observables are systematically examined. Rescatterings of the radiated gluons and recoil partons with the QGP are found essential to account for the enhancement of soft particle yield toward the edge of the jet cone.

研究动机与目标

• 开发一个全面的线性玻尔兹曼输运（LBT）蒙特卡罗模型，包含喷射-介质相互作用中弹性散射与非弹性介质诱导胶子辐射的双重过程。
• 在保持能量-动量守恒的框架下，通过高阶扭数形式体系一致地验证非弹性过程（特别是介质诱导胶子辐射）的实现。
• 研究喷射诱导介质激发以及辐射部分子再散射在塑造喷射可观测量（如能量损失、动量展宽和软粒子增强）中的作用。
• 将模型预测与RHIC和LHC实验数据中喷射抑制、二喷射不对称性以及γ-喷射关联数据进行比较，采用静态和事件-逐事件的流体动力学介质。
• 量化介质诱导辐射与介质反冲对喷射修饰及喷射锥附近软强子产生的贡献。

提出的方法

• LBT模型实现了2→3过程的介质诱导胶子辐射，其中喷射部分子在与介质部分子发生反冲时发射一个胶子，通过终态粒子的壳上条件实现能量和动量守恒。
• 模型利用能量-动量守恒求解喷射与介质部分子之间的交换动量 $ q $，确保交换胶子为类空（$ q^2 < 0 $），以满足运动学约束。
• 对于多胶子发射过程，模型通过递归调整先前发射胶子和喷射部分子的动量，保持 $ 1 \to 3 $ 分裂过程中的能量-动量守恒，使用壳上条件和迭代采样方法。
• 通过基于高阶扭数形式体系的微分截面采样发射胶子的四动量，其角分布和能量分布由喷射与介质的运动学决定。
• 模型包含了辐射胶子和反冲部分子与QGP介质的再散射，这对重现喷射锥边缘附近软粒子产额的增强现象至关重要。
• 模拟在静态均匀QGP和真实事件-逐事件流体动力学介质中进行，以对比喷射锥尺寸依赖性、二喷射不对称性和γ-喷射关联数据。

Figure 1: (Color online) Flow chart of the LBT Monte Carlo model. The green shaded boxes represent modules that can be replaced by users with alternatives.

实验结果

研究问题

• RQ1 介质诱导胶子发射与喷射诱导介质激发如何影响重离子碰撞中的核修饰因子与喷射喷射结构？
• RQ2 辐射胶子与反冲部分子的再散射过程在多大程度上贡献于喷射锥边缘附近软粒子产额的增强？
• RQ3 LBT模型能否在RHIC与LHC能量下定量重现喷射抑制、二喷射不对称性与γ-喷射关联数据？
• RQ4 能量损失、动量展宽与横向动量转移对介质诱导胶子的相对贡献如何影响喷射可观测量的形成？
• RQ5 包含反冲部分子动力学与介质响应后，对喷射喷射中动量平衡与能量重分布有何影响？

主要发现

• 辐射胶子与反冲部分子在QGP介质中的再散射对于重现喷射锥边缘附近软粒子产额的增强现象至关重要，仅靠领先阶非弹性过程无法捕捉该效应。
• 当包含介质诱导辐射与介质反冲时，该模型成功重现了RHIC与LHC能量下单个含时喷射抑制的喷射锥尺寸依赖性，与实验数据定量一致。
• 包含介质诱导胶子辐射与喷射诱导介质激发后，显著改善了LHC能量下对二喷射不对称性的描述，尤其在动量平衡恢复的背景下。
• 模型表明，来自主导部分子向介质诱导胶子与反冲部分子的横向动量转移在动量展宽与喷射介质内能量重分布中起关键作用。
• 通过喷射诱导激发传递给介质的能量与动量被发现是显著的，对软强子产生与喷射喷射结构有可测量的影响，尤其在喷射轴前后向区域更为明显。
• 多胶子发射过程中能量-动量守恒的迭代求解方法确保了运动学的一致性，实现了对致密QGP中复杂喷射喷射演化过程的精确建模。

Figure 2: (Color online) $h(v)$ defined in Eq. ( 21 ) as a function of fractional momentum $z$ and $(t-t_{i})E$ .