[論文レビュー] Measurement of two-particle correlations in hadronic $e^{+}e^{-}$ collisions at Belle

Belle Collaboration, A. Abdesselam+461 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ベール実験を用いて、$√s = 10.52$ GeVにおけるハードロニクス$e^+e^-$衝突における二粒子相関の初回測定を報告する。ビーム軸およびスルスト軸座標系を用いて実施された。リッジ効果の95%信頼区間上限をきびしく設定し、顕著なリッジ構造は観測されなかった。データはピュティアおよびシェルパのほうがヘルウィグのイベントジェネレータよりもよく記述されており、スルスト座標系下での相関パターンは特異的であることが示唆された。

ABSTRACT

The enhancement of charged-particle pairs with large pseudorapidity difference and small azimuthal angle difference, often referred to as the ``ridge signal'', is a phenomenon widely observed in high multiplicity proton-proton, proton-ion and deutron-ion collisions, which is not yet fully understood. In heavy-ion collisions, the hydrodynamic expansion of the Quark-Gluon Plasma is one of the possible explanations of the origin of the ridge signal. Measurements in the $e^+e^-$ collision system, without the complexities introduced by hadron structure in the initial state, can serve as a complementary probe to examine the formation of a ridge signal. The first measurement of two-particle angular correlation functions in high multiplicity $e^+e^-$ collisions at $\sqrt{s}=10.52$ GeV is reported. The hadronic $e^+e^-$ annihilation data collected by the Belle detector at KEKB are used in this study. Two-particle angular correlation functions are measured over the full azimuth and large pseudorapidity intervals which are defined by either the electron beam axis or the event thrust as a function of charged particle multiplicity. The measurement in the event thrust analysis, with mostly outgoing quark pairs determining the reference axis, is sensitive to the region of additional soft gluon emissions. No significant ridge signal is observed with either coordinates analyses. Near side jet correlations appear to be absent in the thrust axis analysis. The measurements are compared to predictions from various event generators and expected to provide new constraints to the phenomenological models in the low energy regime.

研究の動機と目的

• ベール検出器を用いて、$\sqrt{s} = 10.52$ GeVにおけるハードロニクス$e^+e^-$衝突における二粒子相関を測定すること。
• ビーム軸およびスルスト軸座標系下での相関関数におけるリッジ様構造の有無を調査すること。
• ベールMC、ヘリーグ 7.1.5、シェルパ 2.2.5のモンテカルロシミュレーションと実験データを比較すること。
• ブートストラップ再サンプリングを用いてリッジ信号の有意性を定量し、リッジ効果の95%信頼区間上限を設定すること。
• スルスト座標系下での近接側ピークの大きさが衝突エネルギーにどのように依存するかを調査すること。

提案手法

• 二粒子相関関数$Y(\Delta\phi)$からのバックグラウンドを差し引くために、ZYAM（最小値におけるゼロ効果）法が適用された。
• 相関関数は、ビーム軸およびスルスト軸参照フレームの両方において、$1.5 \leq |\Delta\eta| < 3.0$の擬似迅速度範囲で測定された。
• 統計的および系境的不確実性は、$2 \times 10^6$回のブートストラップサンプリングを用いて伝搬され、リッジ効果の95%上限が計算された。
• リッジ信号の有意性は、$\Delta\phi = 0$からZYAMフィット最小値までの$Y(\Delta\phi)$の積分により評価され、ほとんどゼロの効果に対して$>5\sigma$の上限が報告された。
• イベントジェネレータ（ベールMC、ヘルウィグ 7.1.5、シェルパ 2.2.5）をデータと比較し、相関パターンを記述する能力を評価した。
• 分析では、スルスト座標系下での近接側ピーク強度と中心質量系エネルギーとの相関を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビーム軸座標系下で、$\sqrt{s} = 10.52$ GeVにおける$e^+e^-$衝突の二粒子相関にリッジ様構造が観測されるか？
• RQ2 スルスト座標系下での相関パターンは、$pp$および$pp$衝突と比較して、特に近接側ピーク構造においてどのように異なるか？
• RQ3 ヘルウィグ、シェルパ、ベールMCなどのイベントジェネレータが観測された相関関数をどの程度再現できるか？
• RQ4 95%信頼区間におけるリッジ効果の上限は何か？また、補正済みトラック数の平均値$\langle N_{\rm Trk}^{\rm Corr} \rangle$に応じてどのように変化するか？
• RQ5 スルスト座標系下で分析した場合、近接側ピークの大きさと中心質量系エネルギーとの間に測定可能な相関があるか？

主な発見

• ビーム軸およびスルスト座標系の両方において顕著なリッジ様構造は観測されず、ZYAMで補正された相関関数は$\Delta\phi \approx 0$で過剰なピークを示さなかった。
• リッジ効果の95%上限は、ほとんどの$\langle N_{\rm Trk}^{\rm Corr} \rangle$ビンで$10^{-7}$未満に設定され、ほとんどゼロの効果に対して$>5\sigma$の有意性が報告された。
• ベールMCシミュレーション（ベールデータにチューニング済み）は、特にスルスト座標系フレームでデータを最もよく記述しており、ヘルウィグ 7.1.5は近接側および離反側領域で大きなずれを示した。
• シェルパ 2.2.5およびピュティアは、ヘルウィグよりもデータをよく記述しており、過去のALEPHデータ解析と整合的であった。
• スルスト座標系フレームで見た場合、相関関数の近接側ピークの大きさは衝突エネルギーと強く相関しており、インラインャンクル相関がエネルギー依存的であることを示唆した。
• 検出器効果、トラック再構築、バックグラウンド差し引きからの系統的不確実性は、それぞれ最終的な不確実性予算に0.5%未満の寄与にとどまった。