[論文レビュー] Measurement of the $Z$ boson production cross-section in proton-lead collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}=8.16\,\mathrm{TeV}$

LHCb collaboration, Aaij, Roel+1032 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、2016年にLHCb検出器を用いて√sNN = 8.16 TeVの陽子 lead 衝突において、Z ボソン生成断面積の微分測定、前後比、および核子修飾要因を初めて報告する。30.8 nb⁻¹の統合放射光強度から得られた結果は、核子PDF予測と良好に一致しており、特にLHCbの独自の前方被覆範囲によりx < 10⁻³を探索可能な小スケールのBjorken-xにおけるパートン分布に対する強い制約を提供する。

ABSTRACT

This article presents the first measurement of the differential $Z$-boson production cross-section in the forward region using proton-lead collisions with the LHCb detector. The dataset was collected at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of $\sqrt{s_\mathrm{NN}}=8.16\,\mathrm{TeV}$ in 2016, corresponding to an integrated luminosity of $30.8\,\mathrm{nb}^{-1}$. The forward-backward ratio and the nuclear modification factors are measured together with the differential cross-section as functions of the $Z$ boson rapidity in the centre-of-mass frame, the transverse momentum of the $Z$ boson and a geometric variable $ϕ^{*}$. The results are in good agreement with the predictions from nuclear parton distribution functions, providing strong constraining power at small Bjorken-$x$.

研究の動機と目的

• LHCb検出器の前方被覆範囲を活用し、√sNN = 8.16 TeVの陽子 lead 衝突におけるZボソン生成断面積の微分測定を行う。
• 中心系フレームにおけるZボソン生成断面積の前後比（RFB）を、y∗Z、pZT、ϕ∗の関数として決定する。
• Z → μ⁺μ⁻崩壊における前向きおよび後向き衝突設定の両方で、核子修飾要因（RpPb）を抽出する。
• データが乏しい小スケールのBjorken-x（10⁻⁴ < x < 10⁻³）における核子パートン分布関数（nPDFs）に対する新たな制約を提供する。
• 初期状態の核子効果へのZボソン生成の感受性を検証し、初期状態と終状態の媒体効果を区別する。

提案手法

• 2016年にLHCb検出器が収集した√sNN = 8.16 TeVのpPb衝突データ（30.8 nb⁻¹）を用い、前方（12.2 nb⁻¹）および後向き（18.6 nb⁻¹）の別々の放射光強度を考慮する。
• Zボソン候補は、その二重ミューオン崩壊（Z → μ⁺μ⁻）により再構成され、ミューオンは前方領域（2.0 < η < 4.5）で同定され、中心系フレームで再構成される。
• 微分断面積は、Zボソンの速さ（y∗Z）、横運動量（pZT）、および崩壊における横運動量不均衡に敏感な幾何的変数ϕ∗の関数として測定される。
• 前後比（RFB）は、共通の運動量領域内での前方（pPb）および後向き（Pbp）衝突における断面積の比として計算される。
• 核子修飾要因（RpPb）は、√s = 13 TeVのpp衝突断面積と比較することで抽出され、正規化に1.7 fb⁻¹のppデータを用いる。
• 埋め込み最小バイアスイベントを含む完全な検出器シミュレーションにより、受容性および効率の正確なモデル化が行われ、最終状態放射補正（fFSR）も含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √sNN = 8.16 TeVのpPb衝突におけるZボソン生成断面積の微分測定は、速さ（y∗Z）、横運動量（pZT）、およびϕ∗の関数としてどのように変化するか？
• RQ2 Zボソン生成の前後比（RFB）は何か？ そして、運動量領域に応じてどのように変化するか？
• RQ3 Z → μ⁺μ⁻の核子修飾要因（RpPb）は1に近いか？ そして、初期状態の核子効果について何を明らかにするか？
• RQ4 測定された断面積および比は、小スケールのBjorken-x（x < 10⁻³）における核子PDFをどの程度制約するか？
• RQ5 最新のnPDFモデル（例：EPPS09、nCTEQ15）は、前方領域でデータをどの程度よく再現するか？

主な発見

• √sNN = 8.16 TeVのpPb衝突におけるZ → μ⁺μ⁻生成断面積は、中心系フレームでy∗Zが2.0から4.0の範囲にわたり、高い精度で測定された。
• 前後比（RFB）はほとんどの運動量領域で1に一致しており、pZT領域[0.2, 0.4] GeVでは0.65 ± 0.21 ± 0.05 ± 0.02、[63.0, 270.0] GeVでは1.03 ± 0.46 ± 0.08 ± 0.04と変動し、顕著な非対称性は認められない。
• 核子修飾要因RpPbは、前方領域でy∗Z ∈ [2.0, 2.5]の範囲で0.87 ± 0.10 ± 0.03 ± 0.02、後向き領域でpZT ∈ [0.0, 4.6] GeVの範囲で1.63 ± 0.24 ± 0.07 ± 0.04と測定され、強い運動量依存性を示した。
• ϕ∗変数では、前方領域でϕ∗ ∈ [0.00, 0.02]の範囲で0.94 ± 0.13 ± 0.04 ± 0.02、[0.40, 4.00]の範囲で1.52 ± 0.29 ± 0.09 ± 0.04と変動し、両設定で高ϕ∗領域で生成が増強されていることが示された。
• 結果はEPPS09やnCTEQ15などの核子PDF予測と良好に一致しており、特に10⁻⁴ < x < 10⁻³の小スケールのBjorken-xにおけるnPDFに対する強い制約を提供した。
• Zボソン生成が初期状態の核子効果に感受されることを示し、高エネルギーにおける前方領域でのnPDFのテストのための新たな基準を確立した。