[論文レビュー] Emergence of Long-Range Angular Correlations in Low-Multiplicity Proton-Proton Collisions

S. Acharya, D. Adamová+1062 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2023

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 47被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、LHCのALICE実験データを用いて、√s = 13 TeVにおける低多重度陽子-陽子衝突において、長距離-angular相関（リッジ効率）を測定し、⟨Nch⟩ ≲ 24の範囲で高い精度を達成した。pp衝突におけるリッジ効率は、初期状態効果が存在しない√s = 91 GeVおよび183–209 GeVのe+e−衝突におけるそれらを顕著に上回っており、これは初期状態のダイナミクスのみでは観測された相関を説明できず、小システムにおける最終状態の集団的性質が関与していることを示唆している。

ABSTRACT

This Letter presents the measurement of near-side associated per-trigger yields, denoted ridge yields, from the analysis of angular correlations of charged hadrons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV. Long-range ridge yields are extracted for pairs of charged particles with a pseudorapidity difference of 1.4 < |Δη| < 1.8 and a transverse momentum of 1 < p$_T$ < 2 GeV/c, as a function of the charged-particle multiplicity measured at midrapidity. This Letter extends the measurements of the ridge yield to the low multiplicity region, where in hadronic collisions it is typically conjectured that a strongly interacting medium is unlikely to be formed. The precision of the new low multiplicity results allows for the first direct quantitative comparison with the results obtained in e$^+$e$^-$ collisions at $\sqrt{s}$ = 91 GeV and $\sqrt{s}$ = 183–209 GeV, where initial-state effects such as preequilibrium dynamics and collision geometry are not expected to play a role. In the multiplicity range 8 ≲ ⟨N$_{ch}$⟩ ≲ 24 where the e$^+$e$^-$ results have good precision, the measured ridge yields in pp collisions are substantially larger than the limits set in e$^+$e$^-$ annihilations. Consequently, the findings presented in this Letter suggest that the processes involved in e$^+$e$^-$ annihilations do not contribute significantly to the emergence of long-range correlations in pp collisions.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける低多重度pp衝突において、長距離-angular相関（リッジ効率）を高い精度で測定すること。
• 初期状態効果（例えば、平衡状態前のダイナミクスやビーム残渣の寄与）が、pp衝突における観測されたリッジ構造を説明できるかどうかを検証すること。
• 初期状態効果が設計上存在しないe+e−衝突とpp衝突の直接的な定量的比較を可能にすること。
• 小ハドロン系における集団的性質の出現における初期状態ダイナミクスの役割を制限すること。
• 熱平衡状態のクォーク- gluonプラズマが存在しないにもかかわらず、低多重度pp衝突における最終状態相互作用や物質的効果の関与を評価すること。

提案手法

• LHCのALICE実験から得たデータを用いて、√s = 13 TeVにおけるpp衝突のcharged hadronの角度相関を分析した。
• V0検出器を用いた最小偏位トリガーを用いて、低charged-particle多重度（⟨Nch⟩ ≲ 24）のイベントを選別した。
• 1.4 < |Δη| < 1.8および1 < pT < 2 GeV/cを満たす粒子対の近接側リッジ効率を、1つのトリガーパarticleあたりに正規化して測定した。
• 2017–2018年に収集された約1.3×10⁹個の最小偏位pp衝突の高統計データをサンプルとして使用した。
• 初期状態効果が無視できるe+e−衝突（√s = 91 GeVおよび183–209 GeV）からのアーカイブ済みALEPHデータと直接比較した。
• モデル依存性を評価するため、PYTHIA 8.3およびEPOS LHCイベントジェネレータのシミュレーションと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pp衝突における初期状態効果のみで、低多重度における観測された長距離リッジ相関が説明可能か？
• RQ2 初期状態ダイナミクスが存在しないe+e−衝突と比較して、低多重度pp衝突におけるリッジ効率はどのように定量的に異なるか？
• RQ3 最終状態相互作用や物質的効果が、小システムにおけるリッジ形成にどの程度寄与しているか？
• RQ4 pp衝突における観測されたリッジ効率は、標準的なモンテカルロジェネレータ（PYTHIA 8.3）の予測と整合性があるか？
• RQ5 熱平衡状態のクォーク-グルーオンプラズマが存在しないにもかかわらず、低多重度pp衝突における集団的ダイナミクスの役割は何か？

主な発見

• √s = 13 TeVにおけるpp衝突の測定リッジ効率は、⟨Nch⟩ ≲ 24の同一多重度範囲において、√s = 91 GeVおよび183–209 GeVのe+e−衝突における上限値を顕著に上回っている。
• この定量的乖離は、平衡状態前のダイナミクスやビーム残渣といった初期状態効果が、pp衝突における観測されたリッジ構造を説明できないことを示唆している。
• e+e−衝突ではリッジが観測されないため、これと同様の過程がpp衝突におけるリッジ形成に顕著に寄与しているとは考えられない。
• pp衝突におけるリッジ効率は、低多重度でも顕著な値を示し、最終状態の集団的性質や物質的効果が関与している可能性を示している。
• データはPYTHIA 8.3の予測から顕著に乖離しており、モデルが低多重度pp衝突における長距離相関を低く見積もっていることを示唆している。
• EPOS LHCモデルはPYTHIA 8.3よりもデータをよりよく記述しており、小システムにおける物質誘導効果の役割を支持している。