[論文レビュー] Charged-hadron production in $pp$, $p$+Pb, Pb+Pb, and Xe+Xe collisions at $\sqrt{s_{_ ext{NN}}}=5$ TeV with the ATLAS detector at the LHC

G. Aad, Abbott, Braden Keim+2917 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLAS検出器を用いて、$\sqrt{s_{\text{NN}}} = 5.02$および5.44 TeVにおける$pp$、$p$+Pb、Pb+Pb、Xe+Xe衝突において、チャージドハドロン生成の高精度測定を提示する。重イオン衝突では、$p_T \approx 7$ GeVに局所的最小値を示す$ p_T $依存性の抑制が観測され、$p_T \approx 2$ GeVに最大値を示す一方、$R_{p\text{Pb}}$は特にPb方向への放出において、$p_T \approx 3$ GeVで中程度の増幅を示す。

ABSTRACT

This paper presents measurements of charged-hadron spectra obtained in $pp$, $p$+Pb, and Pb+Pb collisions at $\sqrt{s}$ or $\sqrt{s_{_ ext{NN}}}=5.02$ TeV, and in Xe+Xe collisions at $\sqrt{s_{_ ext{NN}}}=5.44$ TeV. The data recorded by the ATLAS detector at the LHC have total integrated luminosities of 25 pb${}^{-1}$, 28 nb${}^{-1}$, 0.50 nb${}^{-1}$, and 3 $\mu$b${}^{-1}$, respectively. The nuclear modification factors $R_{p ext{Pb}}$ and $R_ ext{AA}$ are obtained by comparing the spectra in heavy-ion and $pp$ collisions in a wide range of charged-particle transverse momenta and pseudorapidity. The nuclear modification factor $R_{p ext{Pb}}$ shows a moderate enhancement above unity with a maximum at $p_{\mathrm{T}} \approx 3$ GeV; the enhancement is stronger in the Pb-going direction. The nuclear modification factors in both Pb+Pb and Xe+Xe collisions feature a significant, centrality-dependent suppression. They show a similar distinct $p_{\mathrm{T}}$-dependence with a local maximum at $p_{\mathrm{T}} \approx 2$ GeV and a local minimum at $p_{\mathrm{T}} \approx 7$ GeV. This dependence is more distinguishable in more central collisions. No significant $|\eta|$-dependence is found. A comprehensive comparison with several theoretical predictions is also provided. They typically describe $R_ ext{AA}$ better in central collisions and in the $p_{\mathrm{T}}$ range from about 10 to 100 GeV.

研究の動機と目的

• . 一部の衝突系におけるチャージドハドロン生成の修正を定量的に評価し、クォーク-グルーオンプラズマ（QGP）の性質を解明することを目的とする。
• . $p$+PbとPb+PbおよびXe+Xe系を比較することで、初期状態効果と最終状態の媒体効果を区別することを目的とする。
• . $p_T$、$\eta$、および中央度に依存する$R_{AA}$および$R_{p\text{Pb}}$の測定を通じて、ジェットクエンチング理論的モデルの検証を目的とする。
• . 以前のATLASの$\sqrt{s_{\text{NN}}} = 2.76$ TeVでの測定をより高いエネルギーに拡張し、$\sqrt{s_{\text{NN}}} = 5.44$ TeVでの新しいXe+Xeデータを含める。
• . 一部のパートンエネルギー損失および媒体誘発放射に関する理論的モデルに対する包括的な制約を提供することを目的とする。

提案手法

• . すべての$pp$、$p$+Pb、Pb+Pb、Xe+Xe衝突において、ATLAS検出器のトラックからチャージドハドロン断面積を、イベントおよびトラック選別基準を用いて再構成する。
• . 核の修正因子$R_{AB}$は、A+Aまたは$p$+A衝突における測定された生成断面積を、平均核厚さ関数$\langle T_{AB}\rangle$でスケーリングした$pp$断面積の比として計算される。
• . 中央度は、前方カロリメータに蓄積された全エネルギーを用いて決定され、0–100%の衝突中央度範囲に基づくビンに分けられる。
• . 系統的不確実性は、トラック再構成効率、積み重ね効果、検出器応答の変動を用いて評価され、$R_{AA}$および$R_{p\text{Pb}}$に完全に伝搬される。
• . Xe+Xeの$pp$基準は、低エネルギー$\sqrt{s}$の$pp$データから外挿され、断面積のエネルギー依存性が無視できるものと仮定する。
• . 理論的比較には、摂動的QCDおよび媒体効果を含むHKMPSWモデルなどのモデルが用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . $\sqrt{s_{\text{NN}}} \approx 5$ TeVにおける$pp$、$p$+Pb、Pb+Pb、Xe+Xe衝突において、チャージドハドロン生成の$ p_T $依存性はどのように変化するか？
• RQ2 . $p$+Pbと比較して、Pb+PbおよびXe+Xe衝突における高$ p_T $ハドロンの抑制に、最終状態の媒体効果が果たす役割は何か？
• RQ3 . $R_{p\text{Pb}}$要因はrapidityの非対称性を示すか？ これは、陽子-核衝突における初期状態効果に何を示唆するか？
• RQ4 . 中央衝突と外縁衝突の両方において、Pb+PbおよびXe+Xe衝突における$R_{AA}$の形状と大きさはどのように比較されるか？
• RQ5 . 現在の理論的モデルは、特に低$ p_T $および高$ p_T $において、測定された$R_{AA}$をどの程度よく再現するか？

主な発見

• . $p$+Pb衝突では、$R_{p\text{Pb}}$が1よりやや高い中程度の増幅を示し、$p_T \approx 3$ GeVでピークに達する。特にPb方向への放出で強められる。
• . $R_{p\text{Pb}}$の増幅は低$ p_T $で顕著であり、$p_T \approx 15$ GeV以上では弱まり、$|\eta|$依存性は顕著でない。
• . Pb+PbおよびXe+Xe衝突では、$R_{AA}$が特徴的な$ p_T $依存性を示し、$p_T \approx 2$ GeVに局所的最大値、$p_T \approx 7$ GeVに最小値を示す。
• . $R_{AA}$の抑制は最も中央衝突で強く、最大値と最小値の比が中央ビンで最も高くなる。
• . $R_{AA}$値は$|\eta|$に非常に弱い依存性を示し、抑制パターンに明確な$\eta$依存性がないことを示している。
• . HKMPSWのような理論的モデルは、中央衝突および$ p_T $が7–100 GeVの範囲で$R_{AA}$を合理的に再現するが、高$ p_T $または外縁衝突ではずれが生じ、低$ p_T $データの再現には失敗する。