[論文レビュー] Acoplanarity of QED pairs accompanied by nuclear dissociation in ultra-peripheral heavy ion collisions

J. D. Brandenburg, W. Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、超周辺的重イオン衝突（UPC）における中性子多重度が、衝突パrameterの範囲を実験的に特定する実用的なタグとして機能することを提案している。これにより、QEDによって生成される二重電子対における衝突パrameter依存の横運動量広がりを精密に測定可能となる。最低位のQEDと等価光子近似（EPA）を用いて、中性子の発生が多いイベントでは、非同一平面度（α）および⟨pT²⟩が著しく20–30%増加することを示しており、これはハドロン衝突における物質効果を区別するための重要な基準となる。

ABSTRACT

This paper investigates the transverse momentum broadening effect for electromagnetic production of dileptons in ultra-peripheral heavy ion collisions accompanied by nuclear dissociation. The electromagnetic dissociation probability of nuclei for different neutron multiplicities is estimated, which could serve as a centrality definition (i.e. impact parameter estimate) in ultra-peripheral collisions. In the framework of lowest-order QED, the acoplanarity of dilepton pairs is calculated for different neutron emission scenarios in ultra-peripheral collisions, indicating significant impact-parameter dependence. The verification of impact-parameter dependence is crucially important to understand the broadening effect observed in hadronic heavy-ion collisions.

研究の動機と目的

• 超周辺的重イオン衝突（UPC）において、直接的な衝突パラメータ測定が不可能であるため、衝突パラメータの範囲を特定する実用的な実験的手法を確立すること。
• 非同一平面度（α）および⟨pT²⟩を用いて、QEDによって生成される二重電子対における衝突パラメータ依存の横運動量広がりを定量化すること。
• 相互核破壊、特に中性子放出が衝突パラメータと強く相関しており、UPCにおける中心性の代理指標として使用可能であることを示すこと。
• 高温・高密度の物質効果が存在しない状況における横運動量広がりの基準を提供し、ハドロン衝突における物質誘発広がりの明確な特定を可能にすること。
• STARおよびATLASが報告する重イオン衝突における二重電子対広がりの解釈のため、衝突パラメータ依存の基準測定が不可欠であることを検証すること。

提案手法

• 超周辺衝突におけるγγ → l⁺l⁻による二重電子対生成をモデル化するため、外部場近似における最低位のQED計算を用いる。
• 相対論的核からの光子フラックスをモデル化するため、等価光子近似（EPA）を適用し、点的電荷分布を用いたWeizsäcker-Williams式を用いる。
• ローレンツ因子γおよび修正ベッセル関数K₀とK₁を組み込んだ、衝突パラメータbおよび光子エネルギーEの関数としての光子フラックスn(E,b)を計算する。
• 光子励起断面積σγA→A*と光子フラックスを用いて、異なる中性子多重度（0n0n、>1n>1nなど）における電磁的崩壊確率を推定する。
• 忠実な受容領域とpT² < 0.01に制限した条件下で、二重電子対の非同一平面度αおよび⟨pT²⟩分布を計算する。
• 対質量⟨Ml⁺l⁻⟩と衝突パラメータの関係を質量依存の分布を用いて相関づけ、より高い対質量はより小さなbに対応し、広がりが増加することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超周辺的重イオン衝突における中性子多重度は、衝突パラメータ範囲の信頼できる代理指標として使用可能か？
• RQ2 UPCにおける二重電子対の非同一平面度（α）および横運動量広がり⟨pT²⟩は、発生する中性子の数にどのように依存するか？
• RQ3 QED過程における横運動量広がりの衝突パラメータ依存性が、ハドロン衝突における二重電子対広がりの解釈にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 対質量分布はUPCにおける衝突パラメータ順序付けの代理指標として使用可能か？ これにより実験的に衝突パラメータ範囲の選択が可能になるか？
• RQ5 UPCにおける衝突パラメータの変動に起因する基準広がりの大きさは何か？ また、ハドロン衝突で観測された広がりと比べてどうか？

主な発見

• 核崩壊に起因する中性子多重度は、超周辺的重イオン衝突における衝突パラメータ範囲を実験的に特定する有効なタグである。
• 中性子発生が多いイベントでは、二重電子対の非同一平面度αおよび⟨pT²⟩分布が顕著に広がっており、より小さな衝突パラメータで強い広がりが生じていることを示している。
• （>1n >1n）状況では、⟨α⟩および⟨pT²⟩が（0n0n）状況と比較して20–30%大きいことが示され、強い衝突パラメータ依存性が確認された。
• 異なる中性子発生状況における平均衝突パラメータ⟨b⟩は顕著に変動しており、より小さな⟨b⟩はより高い光子フラックスとよりエネルギーの高い二重電子対生成に対応している。
• 対質量⟨Ml⁺l⁻⟩と衝突パラメータには強い相関があり、平均対質量が高いほどbが小さく、広がりが増加することを示しており、質量に基づいた衝突パラメータ選択が可能になる。
• 広がりの衝突パラメータ依存性は、bが小さい領域で最も顕著であり、bが減少するに従いαおよび⟨pT²⟩が急激に上昇する。これは、物質効果を分離するためのUPCにおける基準測定の必要性を強調している。