[論文レビュー] Dielectron production at midrapidity at low transverse momentum in peripheral and semi-peripheral Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV

Alice Collaboration|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、√sNN = 5.02 TeV の非中央 Pb–Pb 衝突において、中間ラピディティ領域での低横運動量の電子対（pT,ee < 0.1 GeV/c）の測定を初めて行った。0.1 GeV/c未満で顕著な e+e− 対の過剰が観測され、これは超相対論的核における強い電磁場からの光子–光子融合過程によってよく説明される。最低位のQEDモデルおよび衝突パrameter依存モデルの両方が、データと良好に一致している。

ABSTRACT

The first measurement of the ${ m e}^{+}{ m e}^{-}$ pair production at low lepton pair transverse momentum ($p_{ m T,ee}$) and low invariant mass ($m_{ m ee}$) in non-central Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV at the LHC is presented. The dielectron production is studied with the ALICE detector at midrapidity ($|η_{ m e}| &lt; 0.8$) as a function of invariant mass ($0.4 \leq m_{ m ee} &lt; 2.7$ GeV/$c^2$) in the 50$-$70% and 70$-$90% centrality classes for $p_{ m T,ee} &lt; 0.1$ GeV/$c$, and as a function of $p_{ m T,ee}$ in three $m_{ m ee}$ intervals in the most peripheral Pb$-$Pb collisions. Below a $p_{ m T,ee}$ of 0.1 GeV/$c$, a clear excess of ${ m e}^{+}{ m e}^{-}$ pairs is found compared to the expectations from known hadronic sources and predictions of thermal radiation from the medium. The $m_{ m ee}$ excess spectra are reproduced, within uncertainties, by different predictions of the photon$-$photon production of dielectrons, where the photons originate from the extremely strong electromagnetic fields generated by the highly Lorentz-contracted Pb nuclei. Lowest-order quantum electrodynamic (QED) calculations, as well as a model that takes into account the impact-parameter dependence of the average transverse momentum of the photons, also provide a good description of the $p_{ m T,ee}$ spectra. The measured $\sqrt{\langle p_{ m T,ee}^{2} angle}$ of the excess $p_{ m T,ee}$ spectrum in peripheral Pb$-$Pb collisions is found to be comparable to the values observed previously at RHIC in a similar phase-space region.

研究の動機と目的

• √sNN = 5.02 TeV の非中央 Pb–Pb 衝突において、低横運動量（pT,ee < 0.1 GeV/c）および低インバリアント質量（0.4 ≤ mee < 2.7 GeV/c²）における二電子生成を測定すること。
• 既知のはずのハドロン的源および熱的放射の予測と比較して、観測された二電子生成過剰の起源を調査すること。
• 超相対論的重イオンにおける強い電磁場からの光子–光子融合過程が、過剰を説明できるかどうかを検証すること。
• 実験的 pT,ee スペクトルを、最低位のQEDモデルおよび衝突パラメータ依存モデルと比較し、適合度を評価すること。
• 測定された二電子スペクトルが、類似した運動量領域におけるRHICの以前の結果と整合しているかどうかを評価すること。

提案手法

• LHC の ALICE ディテクタを用いて、√sNN = 5.02 TeV の Pb–Pb 衝突において、50–70% および 70–90% の中央度クラスのデータを収集した。
• 中間ラピディティ領域（|ηe| < 0.8）で二電子対を測定し、インバリアント質量（mee）および横運動量（pT,ee）分布を解析した。
• ローレンツ収縮した核から生じる仮想的実光子のフラックスをモデル化するために、等価光子近似（EPA）フレームワークを用いた。
• LOQED（最低位の量子電磁力学）計算を用いて、γγ → e+e− の断面積を、ローレンツ因子および光子エネルギー依存性を組み込んで算出した。
• 衝突幾何学的形状に応じた光子の平均横運動量を考慮する衝突パラメータ依存モデルを組み込んだ。
• 測定された pT,ee スペクトルおよび mee 分布を、EPA、LOQED、および衝突パラメータモデルの予測と比較し、適合度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV の非中央 Pb–Pb 衝突において、低 pT,ee における観測された二電子過剰の起源は何か？
• RQ2 超相対論的核における強い電磁場からの光子–光子融合過程が、二電子過剰を説明できるか？
• RQ3 最低位のQEDモデルおよび衝突パラメータ依存モデルは、測定された pT,ee スペクトルをどの程度よく再現するか？
• RQ4 非中央衝突における過剰スペクトルの平均二乗横運動量 ⟨p²T,ee⟩ は、類似した位相空間領域におけるRHICの以前の測定値と整合的か？
• RQ5 電磁相互作用は、ハドロン的重イオン衝突における低-pT,ee 二電子スペクトルの形態にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 非中央および準中央 Pb–Pb 衝突において、pT,ee < 0.1 GeV/c の領域で明確な e+e− 対の過剰が観測され、既知のはずのハドロン的源および熱的放射の予測を上回った。
• 二電子過剰スペクトルは、ローレンツ収縮した Pb 核内の強い電磁場から生じる光子–光子融合に基づく予測と、誤差範囲内で一致した。
• 最低位のQED計算は、測定された pT,ee スペクトルをよく再現しており、この運動量領域でブライト–ウイリヤー過程が支配的であることを確認した。
• 仮想的実光子の平均横運動量の衝突パラメータ依存性を組み込んだモデルも、データをよく再現しており、衝突幾何学的形状に敏感であることが示された。
• 非中央衝突における過剰スペクトルの平均二乗横運動量 ⟨p²T,ee⟩ は、類似した位相空間領域で観測されたRHICの値と同等の値であった。
• 結果は、光子–光子過程が、中程度中央度の非中央イベントでさえも、ハドロン的重イオン衝突における低-pT,ee 二電子生成に顕著な寄与をしていることを示している。