[論文レビュー] Exclusive dielectron production in ultraperipheral Pb+Pb collisions at $ \sqrt{s_{ extrm{NN}}} $ = 5.02 TeV with ATLAS

G. Aad, Abbott, Braden Keim+2957 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2018年にATLASで取得した1.72 nb⁻¹のデータを用いて、√sNN = 5.02 TeVの超外的Pb+Pb衝突におけるγγ→e⁺e⁻による排他的な二電子生成の精度測定を報告する。全有効断面積は215 ± 1(stat.)⁺²³₋₂₀(syst.) ± 4(lumi.) μbとして測定され、StarlightおよびSuperChicによるQED予測と良好に一致しているが、高エネルギーの|yₑₑ|および|cos θ*|において系のずれが観測され、光子フラックスモデルと核効果の探査が可能となった。

ABSTRACT

Exclusive production of dielectron pairs, $\gamma\gamma ightarrow e^+e^-$, is studied using $\mathcal{L}_\mathrm{int}=1.72\; \mathrm{nb^{-1}}$ of data from ultraperipheral collisions of lead nuclei at $\sqrt{s_{_{ ext{NN}}}} = 5.02$ TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. The process of interest proceeds via photon-photon interaction in the strong electromagnetic fields of relativistic lead nuclei. Dielectron production is measured in the fiducial region defined by following requirements: electron transverse momentum, $p_{ extrm{T}}^{e} > 2.5$ GeV, absolute electron pseudorapidity, $|\eta^{e}| < 2.5$, invariant mass of the dielectron system, $m_{ee} > 5$ GeV, and transverse momentum of the dielecton pair, $p_{ extrm{T}}^{ee} < 2$ GeV. Differential cross-sections are measured as a function of $m_{ee}$, average $p_{ extrm{T}}^{e}$, absolute rapidity of the dielectron system, $|y_{ee}|$, and scattering angle in the dielectron rest frame, $|\cos heta^*|$ in the inclusive sample, and also under the requirement of no activity in the forward direction. The total integrated fiducial cross-section is measured to be $215 \pm 1 ext{(stat.)} ^{+23}_{-20} ext{(syst.)} \pm 4 ext{(lumi.)}\; \mu$b. Within experimental uncertainties the measured integrated cross-section is in good agreement with the QED predictions from the Monte Carlo programs Starlight and SuperChic, confirming the broad features of the initial photon fluxes. The differential cross-sections show systematic differences with these predictions which are more pronounced at high $|y_{ee}|$ and $|\cos heta^*|$ values.

研究の動機と目的

• √sNN = 5.02 TeVにおける超外的Pb+Pb衝突における排他的なγγ→e⁺e⁻生成を測定し、光子フラックスとQEDダイナミクスを調べること。
• ATLAS検出器からの高精度データを用いて、γγ→e⁺e⁻のQED予測の妥当性を検証すること。
• 前方活動タギングを用いて、核の破壊および追加の光子交換の影響を調査すること。
• γγ→τ⁺τ⁻や光子間散乱のようなレアプロセスの未来の測定のベンチマークを提供すること。

提案手法

• 2018年にATLASが収集した√sNN = 5.02 TeVのPb+Pb衝突データ1.72 nb⁻¹を用いる。
• 信号選別には有効断面積のカットを適用：peT > 2.5 GeV、|ηe| < 2.5、mee > 5 GeV、peₑT < 2 GeV。
• 効率、エネルギー分解能、再構成効果を補正するため、詳細なモンテカルロシミュレーションを用いて検出器補正を実施する。
• 誤識別電子および非排他的過程からのバックグラウンド寄与は、制御領域とシミュレーションを用いて推定・差し引く。
• 包括的および前方活動タグ付きサンプルの両方において、mee、平均peT、|yₑₑ|、|cos θ*|の関数として微分断面積を測定する。
• 選別基準、検出器モデル、ランプケーブルの変動を用いて、系統的不確かさを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √sNN = 5.02 TeVにおける排他的なγγ→e⁺e⁻生成の全有効断面積は、QED予測とどの程度一致するか？
• RQ2 mee、|yₑₑ|、|cos θ*|の微分分布は、StarlightおよびSuperChicの予測とどの程度一致するか？
• RQ3 追加の光子交換などの新しい物理現象や核効果を示唆する、QED予測からの測定可能なずれは存在するか？
• RQ4 核の破壊を示す前方中性子活動タグ付きの影響は、観測された二電子運動量分布にどのように現れるか？
• RQ5 初期状態の光子フラックスモデルは、観測された運動量分布を説明するために果たす役割は何か？

主な発見

• 排他的な二電子生成の全有効断面積は215 ± 1(stat.)⁺²³₋₂₀(syst.) ± 4(lumi.) μbとして測定された。
• 測定された全断面積は、StarlightおよびSuperChicによるQED予測と良好に一致しており、光子フラックスモデルの広範な特徴が確認された。
• 微分断面積は、特に高エネルギーの|yₑₑ|および|cos θ*|において、予測からの系統的ずれを示した。
• 観測されたずれは、現在の光子フラックスモデルの限界、または外的衝突における追加の光子交換効果の可能性を示唆している。
• 前方活動タグ付きサンプルでは、全量が減少しており、核の破壊が排他的事象を抑制していることと整合的であった。
• 本結果は、γγ→e⁺e⁻プロセスの高精度なベンチマークを提供し、γγ→τ⁺τ⁻や光子間散乱のようなレアプロセスの基準としての利用を支持している。