German Title: Fluiddynamische Beschreibung schwerer Quarks im Quark-Gluon-Plasma

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Abstract

Heavy quarks (i.e. charm and beauty) are powerful tools to characterize the quark-gluon plasma (QGP) produced in heavy-ion collisions. Although they are initially produced out of kinetic equilibrium via hard partonic scattering processes, recent measurements of anisotropic flow of charmed hadrons pose the question regarding the possible thermalization of heavy quarks in the medium. In this work, we provide new insights into the level of thermalization of charm and beauty quarks in the QGP. In particular, exploiting a mapping between transport theory and fluid dynamics, we show how a fluid-dynamic description of charm diffusion in the QCD plasma is feasible. Inspired by recent Lattice-QCD calculations, we show that fluid dynamics seems to be applicable also for beauty quarks in the latest stages of the expanding QGP. We present results for transverse momentum distribution and integrated yields of charmed hadrons in central Pb–Pb collisions at \sqrt{{\rm s_NN}} = 5.02 TeV at the LHC obtained with a fluid-dynamic code coupled with the conservation of a heavy-quark – antiquark current in the QGP. Our calculations are in agreement with the available experimental measurements in the low transverse momentum region, indicating an effective hydrodynamization of charm quarks in the QGP.

Translation of abstract (German)

Schwere Quarks (d. h. Charm und Beauty) sind mächtige Werkzeuge zur Charakterisierung des Quark-Gluon-Plasmas (QGP), das bei Kollisionen von schweren Ionen erzeugt wird. Obwohl sie anfangs in harten partonischen Streuprozessen außerhalb des kinetischen Gleichgewichts erzeugt werden, werfen aktuelle Messungen des anisotropen Flusses von Charm-Hadronen die Frage nach der möglichen Thermalisierung von schweren Quarks im Medium auf. In dieser Arbeit liefern wir neue Einblicke in das Level der Thermalisierung von Charm- und Beauty-Quarks im QGP. Insbesondere zeigen wir anhand eines Zusammenhangs zwischen Transporttheorie und Fluiddynamik, wie eine fluiddynamische Beschreibung der Charm-Diffusion im QCD-Plasma realisierbar ist. Inspiriert durch aktuelle Lattice-QCD-Berechnungen zeigen wir, dass die Fluiddynamik auch für Beauty-Quarks in den letzten Stadien des expandierenden QGP anwendbar zu sein scheint. Wir präsentieren Ergebnisse für die Transversalimpulsverteilung und die integrierten Erträge von Charm-Hadronen in zentralen Pb–Pb-Kollisionen bei \sqrt{{\rm s_NN}} = 5.02 TeV am LHC, die mit einem Fluiddynamik-Code in Verbindung mit der Annahme der Erhaltung eines Quark-Antiquark-Stroms für schwere Quarks und Antiquarks im QGP berechnet wurden. Unsere Berechnungen stimmen mit den verfügbaren experimentellen Messungen im Bereich kleiner Transversalimpulse überein und deuten auf eine effektive Hydrodynamisierung von Charm-Quarks im QGP hin.