[论文解读] Systematics of Heavy Quark Production at RHIC

R. Vogt|ArXiv.org|Mar 15, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出了一套系统性程序，通过在RHIC中使用$pp$、$pA$和$AA$碰撞测量重夸克产生，以区分核效应（如阴影效应和能量损失）。通过测量$pp$截面和$pA/pp$双轻子比值，可提取核胶子分布函数，并利用$c\overline{c}$作为$J/\psi$产生的归一化基准，这对探测夸克-胶子等离子体效应至关重要。

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.

研究动机与目标

• 建立RHIC中$pp$碰撞下$ c\overline{c} $和$ b\overline{b} $产生截面的精确基准，用于夸克偶素研究中的归一化。
• 测量在$pA$和$AA$体系中由于核阴影效应和能量损失导致的$Q\overline{Q}$产生偏差。
• 利用$pA/pp$双轻子质量比探测核胶子分布函数。
• 通过考虑重夸克能量损失和$D/B$介子衰变贡献，实现对热双轻子信号的探测。
• 评估$c\overline{c}$作为$AA$碰撞中$J/\psi$产生归一化通道的可行性。

提出的方法

• 使用现代部分子分布函数（MRST HO、CTEQ 5M、GRV 98 HO）和两圈$\alpha_s$，计算$pp$中的NLO $Q\overline{Q}$总截面。
• 通过依赖于$\eta = \hat{s}/4m_Q^2 - 1$的标度函数$f^{(k,l)}_{ij}(\eta)$表达部分子截面，NLO下对$\mu^2/m_Q^2$具有对数依赖性。
• 通过$\sigma_{pp}(s,m_Q^2) = \sum_{i,j} \int \frac{d\tau}{\tau} \delta(x_1x_2 - \tau) F_i^p(x_1,\mu) F_j^p(x_2,\mu) \hat{\sigma}_{ij}(\tau,m_Q^2,\mu^2)$将部分子截面与PDF进行卷积。
• 通过调节$m_c$、$m_b$和$\mu$以实现与$c\overline{c}$和$b\overline{b}$数据的最佳符合，比较NLO计算结果。
• 利用$pA/pp$双轻子产额比值，通过$R_{g}^{A} \propto \frac{dN_{\ell\ell}^{pA}}{dM} \big/ \frac{dN_{\ell\ell}^{pp}}{dM}$提取核胶子分布$R_g^A$的信息。
• 分析能量损失对$D$和$B$介子衰变及其对双轻子谱的影响，尤其在高$p_T$区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在RHIC中，$c\overline{c}$和$b\overline{b}$产生截面的理论预测不确定性有多大？如何减小该不确定性？
• RQ2 如何利用$pA/pp$双轻子质量比提取核胶子分布函数？
• RQ3 重夸克能量损失在多大程度上抑制了高-$p_T$双轻子产额，并可能干扰热双轻子信号的探测？
• RQ4 $c\overline{c}$产生能否作为$AA$碰撞中$J/\psi$产生的可靠归一化通道？
• RQ5 在夸克-胶子等离子体中，夸克偶素的再结合在多大程度上增强了$J/\psi$产额？如何对其进行量化？

主要发现

• 在RHIC中，$pp$碰撞下的$c\overline{c}$截面预测不确定性约为50%，因此需要直接测量以实现精确研究。
• 对于MRST HO和CTEQ 5M PDF，最佳数据符合结果出现在$m_c = 1.4$ GeV且$\mu = m_c$时；对于GRV 98 HO PDF，则出现在$m_c = 1.3$ GeV且$\mu = m_c$时。
• $pA/pp$双轻子比值可作为核胶子分布的直接探针，在$3 \times 10^{-5} \leq \langle x_2 \rangle \leq 2 \times 10^{-4}$范围内，$R_g^A$几乎与$x$无关。
• 在夸克-胶子等离子体中，辐射能量损失可能非常显著，10 GeV重夸克的$dE/dx \sim -5$ GeV/fm，而碰撞能量损失较小（$\sim 1-2$ GeV/fm）。
• 能量损失会抑制高-$p_T$和高不变质量$Q\overline{Q}$对的产生，从而偏移双轻子谱，若不进行修正，可能掩盖热信号。
• $c\overline{c}$速率作为$J/\psi$产生的归一化基准优于$Z^0$或$\psi' / \psi$比值，因其具有相似的产生机制和$\langle x \rangle$、$\langle \mu \rangle$值。