[论文解读] Radiative and Collisional Energy Loss of Heavy Quarks in Deconfined Matter

J. Aichelin, Pol-Bernard Gossiaux+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2012

High-Energy Particle Collisions Research被引用 11

一句话总结

该论文通过同时包含碰撞型和辐射型能量损失机制，扩展了重夸克在夸克-胶子等离子体（QGP）中能量损失的微扰量子色动力学（pQCD）模型。利用Kolb-Heinz流体动力学膨胀模型以及具有动态固定红外截断的运行耦合常数，该模型成功描述了LHC中PbPb碰撞的$R_{AA}$和$v_2$数据，表明在$R_{AA}$中两种能量损失通道的贡献相当，并且当包含辐射损失时，$R_{AA}$在高$ p_T $区域保持近似平坦，与实验观测一致。

ABSTRACT

We extend our recently advanced model on collisional energy loss of heavy quarks in a quark gluon plasma (QGP) by including radiative energy loss. We discuss the approach and present calculations for PbPb collisions at $\sqrt{s}=2.76 TeV$. The transverse momentum spectra, RAA, and the elliptic flow $v_2$ of heavy quarks have been obtained using the model of Kolb and Heinz for the hydrodynamical expansion of the plasma.

研究动机与目标

• 通过在先前仅考虑碰撞型能量损失的QGP模型中引入辐射型能量损失，扩展该模型。
• 检验基于pQCD的模型（采用运行耦合常数和动态固定的红外截断）是否能够描述LHC中PbPb碰撞下重夸克的$R_{AA}$与$v_2$数据。
• 评估在$√{s}=2.76$ TeV的PbPb碰撞中，碰撞型与辐射型能量损失对观测到的重夸克抑制与流形的相对贡献。
• 评估模型在不同中心度和$ p_T $区间内对$R_{AA}$与$v_2$的预测能力。

提出的方法

• 模型通过QCD中胶子辐射的矩阵元，同时包含碰撞型与辐射型能量损失，其中从五个费曼图推导出三个规范不变的组合。
• 辐射型矩阵元在光锥规范下计算，平方振幅$|M_{SQCD}|^2$以横向动量和纵向动量分数表示。
• 通过$D^{QCD} = \frac{2}{3}$处理色因子与运动学，矩阵元在高能极限下推导，其中$x = k^+/p_a^+$。
• 截面通过0.6的K因子进行缩放以匹配实验数据，结果嵌入Kolb-Heinz流体动力学膨胀模型，其中$dN/dy = 1600$。
• 模型采用运行耦合常数和源自强热场论（HTL）计算的红外截断，以增强物理真实性。
• 模拟计算了在不同中心度区间和$ p_T $范围内，粲夸克与底夸克的$R_{AA}$与$v_2$，并与ALICE实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够通过一个包含碰撞型与辐射型能量损失的pQCD模型，重现PbPb碰撞中重夸克的LHC $R_{AA}$与$v_2$数据？
• RQ2 在高$ p_T $区域，辐射型与碰撞型能量损失对观测到的$R_{AA}$抑制的相对贡献如何？
• RQ3 底夸克与粲夸克的$v_2$有何差异？该差异是否可由模型的动力学机制解释？
• RQ4 包含辐射型能量损失是否会导致$R_{AA}$在高$ p_T $区域趋于平坦，如实验所观测？
• RQ5 当引入辐射过程后，模型的K因子如何变化？这反映了相互作用强度的何种信息？

主要发现

• 采用0.6的K因子，同时包含碰撞型与辐射型能量损失的模型，能良好描述ALICE实验在所有中心度区间和$ p_T $范围内的$R_{AA}$数据。
• 当$ p_T > 15 $ GeV时，包含辐射型能量损失的模型中$R_{AA}$保持近似平坦，与实验趋势一致；而仅含弹性过程的模型则显示$R_{AA}$随$ p_T $上升。
• 在低$ p_T $区域，B-介子的$v_2$显著小于D-介子，与模型预测一致：较轻的夸克与各向异性等离子体流耦合更强。
• 模型预测在中等$ p_T $区域，粲夸克与底夸克的$v_2$存在可观测差异，可作为检验QGP中微扰QCD有效性的实验依据。
• 碰撞型与辐射型能量损失对总能量损失的贡献相当，表明在建模重夸克动力学时，两种机制均不可忽略。
• 引入辐射型能量损失后，所需K因子从弹性模型中的~2降低至0.6，提高了与基于pQCD的估计的一致性。