ALICE実験を用いたチャームメソンとバリオンの方位角相関測定によるチャームフラグメンテーションの研究

核心概念

LHCにおける陽子-陽子衝突を用いたALICE実験では、チャームハドロンと荷電粒子およびタグ付きジェットの方位角相関を測定することで、ハドロン衝突におけるチャームクォークのハドロン化メカニズムの詳細な研究が行われており、その結果、フレーバー依存性やバリオンとメソンのフラグメンテーションの違いが明らかになってきている。

要約

ALICE実験によるチャームフラグメンテーションの研究

本稿は、ALICE実験におけるチャームメソンとバリオンの方位角相関測定を用いたチャームフラグメンテーションの研究について報告する。

はじめに

重フレーバーハドロンの生成断面積は、入射陽子のパートン分布関数（PDF）、強い結合定数αsのべき乗で摂動的に計算された硬散乱断面積、重いクォークから特定のハドロンへのフラグメンテーション関数（FF）の畳み込みを含む因子化アプローチを用いて決定することができる。フラグメンテーション関数は、一般的に異なる衝突系において普遍的であると仮定されてきた。しかし、LHCにおける陽子-陽子（pp）衝突におけるΛ+c/D0比は、e+e-およびep測定と比較してpT依存性の増強を示し、FFの普遍性に疑問を投げかけている。

方位角相関測定

ALICE実験では、pT= 5.02、7、13 TeVの重心系エネルギーにおけるpp衝突において、非ストレンジD中間子と荷電粒子の方位角相関をD中間子の横運動量（pT）の関数として測定した。その結果、pTの増加に伴い近傍側ピークの収量が大きくなることがわかった。これは、運動量が大きくなると、チャームフラグメントの追加生成に使用できる位相空間が大きくなるためと考えられる。また、異なるエネルギーでの測定結果は一致しており、測定範囲内では衝突エネルギーへの有意な依存性がないことが示唆された。実験結果は、PYTHIA 8やPOWHEG+PYTHIA 8など、さまざまなモデルと比較された。これらのモデルの中で、PYTHIA 8とPOWHEG+PYTHIA 8は、広いpT範囲にわたってデータとの一致が良好であった。

D0およびD+s中間子のタグ付きジェット測定

チャームクォークのハドロン化に関するさらなる洞察は、チャームタグ付きジェット測定の研究から得ることができる。ALICEは、√s = 13 TeVのpp衝突において、D0およびD+sタグ付きジェットを再構成し、ジェット内でチャームハドロンによって運ばれる縦方向運動量分数（zch||）を測定した。これらの研究は、チャームクォークがどのように断片化し、異なる最終状態にハドロン化するかについての貴重な情報を提供する。

D0タグ付きジェットとD+sタグ付きジェットの結果を比較すると、zch||の値が1に近い値では、D+sタグ付きジェットの方がD0タグ付きジェットよりも収率が高いことが観察された。この観察結果は、研究対象の運動学的範囲において、チャームクォークがD0中間子よりもD+s中間子に強くハドロン化する可能性を示唆するものであり、一般的には、2つの中間子の間のフラグメンテーション過程またはハドロン化ダイナミクスの違いを示している。さらに、MonashおよびCR-BLCのチューンを用いたPYTHIA 8の予測は、測定されたD+s/D0比を不確かさの中で再現しているが、最後のzch||区間では、不一致が生じている。

Λ+cの方位角相関とタグ付きジェット測定

ALICEは、√s = 13 TeVのpp衝突において、Λ+cバリオンと荷電粒子の方位角相関、およびΛ+cタグ付きジェットを測定した。これらの測定は、Λ+cバリオンへのチャームクォークのフラグメンテーションに関する洞察を提供することを目的としている。方位角相関分布を比較した結果、pT(D, Λ+c) > 5 GeV/cでは、2つのハドロン種の間の方位角相関はよく一致しており、高いpTでは同様のチャームフラグメンテーション挙動を示すことが観察された。しかし、低いpT値では、D中間子と比較してΛ+cバリオンの近傍側と遠方側の両方のピークが増強される傾向が見られた。これは、Λ+cバリオンを形成する際に、より多くの運動量がより多くの粒子に分配される、潜在的によりソフトなチャームフラグメンテーションを示唆している可能性がある。

さらに、Λ+cタグ付きジェット測定では、D0タグ付きジェットよりもソフトなジェット運動量分数（zch||）のヒントが示されている。この結果は、研究対象の運動学的範囲において、ハドロンによって運ばれるジェット運動量の割合が中程度の場合、チャームクォークはD0中間子よりもΛ+cバリオンにフラグメント化する可能性が高いことを示している。測定されたΛ+c/D0比は、PYTHIA 8 CR-BLCおよびMonashチューンの予測と比較され、PYTHIA 8 CR-BLCはMonashチューンよりもデータとの一致性が良好であった。

結論

ALICE Collaborationは、チャームメソンとバリオンの方位角相関とチャームハドロンタグ付きジェット測定を用いて、チャームクォークのフラグメンテーションの詳細な研究を行った。非ストレンジD中間子については、横運動量（pT）の上昇に伴い、近傍側の収量が増加し、ピーク幅が狭くなるという結果が得られ、高いpTではよりコリメートされたジェットが得られることが示された。これらの知見は、異なる衝突エネルギー（√s = 5.02、7、13 TeV）間で一貫しており、PYTHIA 8およびPOWHEG+PYTHIA 8の予測によって再現されている。

D+s中間子については、遠方側ピークの形状は非ストレンジD中間子と一致している。しかし、低pTでの近傍側収量の低下は、ストレンジネスによる異なるハドロン化パターンを示唆している可能性がある。さらに、D+sタグ付きジェット測定では、縦方向運動量分数が1に近い値では、D0と比較してD+sのフラグメンテーションが強いことが示唆されている。

Λ+cバリオン方位角相関については、低pTでの近傍側と遠方側のピークの増強と、中間運動量分数での収量の増加の可能性が観察された。これは、D0中間子と比較して、パートンの運動量がより多くの粒子に分散される、よりソフトなフラグメンテーションパターンを示唆している可能性がある。

統計

LHCにおける陽子-陽子衝突の重心系エネルギー: 5.02 TeV、7 TeV、13 TeV。
D中間子の横運動量（pT）: 3 GeV/cから16 GeV/c。
関連する荷電粒子の横運動量（pT）: 0.3 GeV/c以上。
ジェットの横運動量（pT）: 7 GeV/cから15 GeV/c。
D中間子の縦方向運動量分数（zch||）: 0から1。

引用

抽出されたキーインサイト

Study of charm fragmentation with charm meson and baryon azimuthal correlation measurements with ALICE

by Samuele Catt... 場所 arxiv.org 10-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.19416.pdf

深掘り質問

電子-陽電子衝突や電子-陽子衝突で得られた結果と比較して、ハドロン衝突におけるチャームフラグメンテーションの特徴は何ですか？

電子-陽電子衝突や電子-陽子衝突は、クリーンな環境を提供するため、チャームフラグメンテーション関数を測定する上で伝統的に有利と考えられてきました。一方、陽子-陽子衝突のようなハドロン衝突は、より複雑な環境を提供し、測定に影響を与える可能性のある追加の粒子が生成されます。
ALICE実験で行われた測定によると、ハドロン衝突におけるチャームフラグメンテーションは、電子-陽電子衝突や電子-陽子衝突で得られた結果と比較して、いくつかの興味深い特徴を示しています。

バリオンの増加: 陽子-陽子衝突では、電子-陽電子衝突や電子-陽子衝突に比べて、チャームバリオン（Λ+
cなど）とチャームメソン（D0など）の生成比が高くなっています。これは、ハドロン衝突では、バリオン生成を促進するような付加的なメカニズム（例えば、カラーロープの破断や多体相互作用）が存在することを示唆しています。
フラグメンテーション関数の硬さ: D+
s中間子のタグ付きジェット測定では、D0中間子と比較して、運動量フラクションの高い領域で生成量が増加していることが示唆されています。これは、D+
s中間子のフラグメンテーション関数が、D0中間子のフラグメンテーション関数よりも硬い可能性を示唆しており、ストレンジクォークを含むハドロンの生成メカニズムの違いを示唆している可能性があります。
pT依存性: Λ+
cバリオンと荷電粒子間の角度相関の測定では、低pT領域において、D中間子と比較して、近傍側と反対側のピークの両方が増強される傾向が見られます。これは、低pT領域では、Λ+
cバリオンのフラグメンテーションがD中間子よりもソフトである可能性を示唆しており、パートンの運動量がより多くの粒子に分配されることを示唆しています。
これらの特徴は、ハドロン衝突におけるチャームフラグメンテーションが、電子-陽電子衝突や電子-陽子衝突に比べて、より複雑であり、フラグメンテーション関数の普遍性を仮定した従来のモデルでは完全には説明できない可能性があることを示唆しています。

チャームクォークのフラグメンテーションにおけるフレーバー依存性を説明するために、どのような理論的モデルが提案されていますか？

チャームクォークのフラグメンテーションにおけるフレーバー依存性を説明するために、いくつかの理論的モデルが提案されています。

カラーロープの破断: このモデルでは、クォークと反クォークのペアが強い力で結び付けられており、その間にカラーロープが張られていると考えます。高エネルギー衝突でクォークが引き離されると、このロープが破断し、新しいクォークと反クォークのペアが生成されます。ストレンジクォークを含むハドロンの生成は、ストレンジクォークの質量がアップクォークやダウンクォークよりも重いため、抑制されると考えられています。しかし、カラーロープの破断の際に、ストレンジクォークと反ストレンジクォークのペアが生成される確率は、アップクォークやダウンクォークのペアよりも高くなる可能性があり、これがストレンジクォークを含むハドロンの生成を促進する可能性があります。
統計的ハドロン化モデル: このモデルでは、ハドロンの生成は、統計的な過程として扱われます。衝突で生成されたクォークとグルーオンは、熱力学的平衡状態に達し、その後、利用可能なエネルギーと量子数に基づいて、様々なハドロンに崩壊します。ストレンジクォークを含むハドロンの生成は、ストレンジクォークの質量によって抑制されますが、統計的な重みによって増強される可能性があります。
フラグメンテーション関数の修正: 従来のフラグメンテーション関数は、フレーバーに依存しないと仮定されています。しかし、ハドロン衝突におけるチャームフラグメンテーションの測定結果を説明するために、フレーバー依存性を考慮したフラグメンテーション関数の修正が提案されています。
これらのモデルは、チャームクォークのフラグメンテーションにおけるフレーバー依存性を説明するための異なるアプローチを提供しています。これらのモデルをさらに検証し、どのモデルが実験データと最もよく一致するかを判断するためには、さらなる実験的および理論的な研究が必要です。

将来の衝突型加速器実験では、チャームクォークのハドロン化プロセスをさらに詳しく調べるために、どのような測定を行うことができるでしょうか？

将来の衝突型加速器実験では、チャームクォークのハドロン化プロセスをさらに詳しく調べるために、以下のような測定を行うことができます。

高統計量測定: より高い統計量で、チャームバリオンとチャームメソンの生成量、角度相関、タグ付きジェット測定を行うことで、フラグメンテーション関数のフレーバー依存性、pT依存性、衝突エネルギー依存性をより詳細に調べることができます。
異なる衝突系での測定: 陽子-陽子衝突だけでなく、陽子-原子核衝突や原子核-原子核衝突など、異なる衝突系でチャームフラグメンテーションを測定することで、ハドロン化に対する媒質の影響を調べることができます。
チャームストレンジバリオンの測定: ΞcやΩcなどのチャームストレンジバリオンの生成量を測定することで、ストレンジクォークを含むハドロンの生成メカニズムに関するより詳細な情報を得ることができます。
チャームジェット内のバリオン-メソン相関の測定: チャームジェット内のバリオンとメソンの相関を測定することで、バリオン生成とメソン生成の相対的なタイムスケールに関する情報を得ることができます。
偏極測定: Λcバリオンなどのチャームバリオンの偏極を測定することで、ハドロン化プロセスにおけるスピンの役割に関する情報を得ることができます。
これらの測定は、チャームクォークのハドロン化プロセスをより深く理解し、QCDの非摂動的な側面を探求するために重要な情報を提供します。また、これらの測定結果は、宇宙線の観測や重イオン衝突実験の解釈にも役立ちます。