[論文レビュー] Calculation of centrality bias factors in $p$+A collisions based on a positive correlation of hard process yields with underlying event activity

D. V. Perepelitsa, P. Steinberg|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、個々の $NN$ 衝突におけるハード過程の生成量とバックグラウンドイベント活動の正の相関を組み込むことで、$p$+A 衝突における中心性バイアス要因を連続的かつ確率論的に計算するモデルを提案する。モンテカルロ・グルーバー枠組みを用いて、中央付近のイベントでは生成量を増加させ、周辺部では減少させる補正係数 ($\rho$) を導出している。実装方法は異なるが、PHENIXの先行結果と良好な一致を示している。

ABSTRACT

Hard scattering yields in centrality-selected proton-- and deuteron--nucleus ($p$+A) collisions are generally compared to nucleon--nucleon ($NN$) cross-sections scaled to the appropriate partonic luminosity using geometric models derived from an analysis of minimum bias $p$+A interactions. In general, these models assume that hard process rates and the magnitude of the soft event activity in the underlying $NN$ collisions is uncorrelated. When included, these correlations influence the measured yield in a nominal centrality interval, an effect typically referred to as a "centrality bias". In this work, the impact of a positive correlation between the hard scattering yield and the underlying event activity in individual $NN$ collisions is investigated. This correlation is incorporated into the centrality calculations used by ATLAS and PHENIX, both based on a similar Monte Carlo Glauber approach but with different models of the per-collision or per-participant event activity. It is found that the presence of this correlation tends to increase the yield measured in more central events and decrease it in peripheral events. Numerical factors to correct measured yields for the centrality bias effect are calculated for $p$+A collisions at RHIC and the LHC. Reasonable agreement with a previous calculation of these factors by PHENIX is found, despite differences in the implementation of the underlying bias.

研究の動機と目的

• ハード散乱生成量とバックグラウンドイベント活動の相関が引き起こす中心性選択測定における系統的バイアスを是正すること。
• この相関を考慮する連続的かつ確率論的な補正手法を構築し、従来の二値的仮定を避けること。
• $p$+Pbおよび$d$+Au衝突における $R_{pA}$ 測定に適用可能な数値的に計算された補正係数 ($\rho$) を、RHICおよびLHCで得られ、ATLASおよびPHENIXの中心性フレームワークの両方に適用可能なものとして提供すること。
• Glauber-Gribovのような $\sigma_{\mathrm{NN}}$ の揺らぎを含むモデルに一般化可能なアプローチを提示し、既存のPHENIX結果と一貫性を保ちつつ、より汎用性の高い手法を提供すること。
• 高 $p_{\mathrm{T}}$ 粒子およびジェット生成量における中心性バイアスを補正することで、核結合係数 ($R_{pA}$) のより正確な抽出を可能にすること。

提案手法

• ハード散乱生成量とバックグラウンドイベント（UE）活動の相関を、UE多重度 $Q$ の連続関数としてモデル化し、二値的分割ではなくする。
• モンテカルロ・グルーバー法を用いて、$p$+A 衝突における $N_{\mathrm{part}}$ および $N_{\mathrm{coll}}$ の分布を生成し、$\rho$ を期待される生成量と観測された生成量の比から導出する。
• ハード過程生成量とUE活動の相関の強さを記述するパラメータ $\alpha$ を導入し、$\Delta\eta$ 依存のモデル化を可能にする。
• 式 (13) を用いて中心性バイアス要因 $\rho$ を導出しており、これは全体のハード散乱率 $C$ に対して解析的に独立であるため、$C>1$ の場合にも有効である。
• ATLASおよびPHENIXのそれぞれの $P(N_{\mathrm{part}})$ 分布およびUE活動モデルを用いることで、異なる実験フレームワークへの適応を図る。
• PHENIXの逆バイアス要因と $\rho$ 値を比較することで結果の妥当性を検証し、全中心性区間で傾向が一致し、誤差範囲内で一致していることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハード散乱生成量とバックグラウンドイベント活動の正の相関は、中心性選択 $p$+A 衝突における測定生成量にどのように影響を与えるか？
• RQ2 この相関が核結合係数 $R_{pA}$ に与える定量的影響は何か。データ解析においてどのように補正可能か？
• RQ3 本モデルで導出された中心性バイアス要因 ($\rho$) は、異なる実装を用いたPHENIX共同研究の先行作業との間にどのように比較されるか？
• RQ4 本手法は、Glauber-Gribov色揺らぎ（GGCF）のような $\sigma_{\mathrm{NN}}$ の揺らぎを含むモデルに一般化可能か？
• RQ5 中心性推定子（例：$N_{\mathrm{part}}$ 対 $N_{\mathrm{coll}}$）や準位空洞分離（$\Delta\eta$）の選択がバイアス補正に与える影響は何か？

主な発見

• ハード散乱生成量とバックグラウンドイベント活動の正の相関は、中央付近のイベントで測定生成量を増加させ、周辺部では減少させる。
• 導出された中心性バイアス要因 ($\rho$) は、PHENIXのバイアス要因の逆数よりも一貫して1から離れているが、全中心性区間で誤差範囲内で一致している。
• この手法は、全体のハード散乱率 $C$ に依存しない補正係数を生成するため、$NN$ 衝突ごとに複数のハード相互作用が発生する場合にも適用可能である。
• $p$+Pb 衝突（LHC）では、モデルが顕著なバイアス効果を予測し、補正前の中央部で $R_{pA} > 1$、周辺部で $R_{pA} < 1$ となる観測結果を説明できる。
• 本モデルは $\Delta\eta$ 依存の相関を含めることが可能であり、ALICEが観測した運動量依存のバイアス効果を説明する手がかりを提供する可能性がある。
• 本手法は、中心性バイアス補正のための一貫性があり汎用性の高いフレームワークを提供しており、異なるモデル仮定にもかかわらず、既存の実験結果と強い一致を示している。