[論文レビュー] Multiplicity and transverse momentum dependence of charge-balance functions in pPb and PbPb collisions at LHC energies

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2340 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 46被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、LHCエネルギ一でのpPbおよびPbPb衝突において、電荷バランス関数を測定し、粒子生成ダイナミクスと集団的性質を調べる。CMS検出器を用いたデータ（√sNN = 8.16 TeV（pPb）、5.02 TeV（PbPb））を用い、pT < 2 GeV範囲において、バランス関数の幅が多重度が増加するにつれて狭くなることが判明した。これは、遅延したハドロン化と半径方向流れの効果を示しており、高エネルギー領域では同様の依存性は観測されない。これらの結果は、HYDJET、HIJING、AMPTといった既存のモンテカルロジェネレータが多重度依存性を十分に再現できていないことを示唆している。

ABSTRACT

Measurements of the charge-dependent two-particle angular correlation function in proton-lead (pPb) collisions at a nucleon-nucleon center-of-mass energy of $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 8.16 TeV and lead-lead (PbPb) collisions at$\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.02 TeV are reported. The pPb and PbPb datasets correspond to integrated luminosities of 186 binv and 0.607 nb$^{-1}$, respectively, and were collected using the CMS detector at the CERN LHC. The charge-dependent correlations are characterized by balance functions of same- and opposite-sign particle pairs. The balance functions, which contain information about the creation time of charged particle pairs and the development of collectivity, are studied as functions of relative pseudorapidity ($\Delta \eta$) and relative azimuthal angle ($\Delta \phi$), for various multiplicity and transverse momentum ($p_\mathrm{T}$) intervals. A multiplicity dependence of the balance function is observed in $\Delta \eta$ and $\Delta \phi$ for both systems. The width of the balance functions decreases towards high-multiplicity collisions in the momentum region $\lt$2 GeV, for pPb and PbPb results. No multiplicity dependence is observed at higher transverse momentum. The data are compared with HYDJET, HIJING and AMPT generator predictions, none of which capture completely the multiplicity dependence seen in the data.

研究の動機と目的

• LHCエネルギ一におけるpPbおよびPbPb衝突における電荷バランス関数の多重度および横運動量依存性を調査すること。
• ハドロン化のタイミングや集団的膨張の役割を含めた、電荷粒子生成のダイナミクスを解明すること。
• 擬似迅速度および方位角方向の相関を用いて、半径方向流れと物質の集団的性質がバランス関数幅に与える影響を評価すること。
• 実験結果とHYDJET、HIJING、AMPTジェネレータの予測を比較し、それらがバランス関数挙動をモデル化する能力を評価すること。
• バランス関数のエネルギー依存性を調べ、クォーク-グルーオンプラズマの進化およびハドロン化ダイナミクスに与える示唆を導き出すこと。

提案手法

• 同一符号および逆符号の電荷粒子ペアについて、相対的擬似迅速度（∆η）および相対的方位角角度（∆ϕ）における2粒子相関を測定する。
• 電荷バランス関数を、|η| < 2.4 の粒子を用い、特定の∆ηおよび∆ϕ範囲内にバランスする電荷が存在する確率として定義する。
• 多重度および横運動量（pT）の区間で結果をビニングし、系のサイズと運動論的性質への依存性を調べる。
• バランス関数の幅および積分を抽出し、電荷バランスの割合とネット電荷フラクチュエーションを定量化する。
• HYDJET、HIJING、AMPTイベントジェネレータの予測とデータを比較し、モデルの性能を評価する。
• エネルギー依存性を調べるため、√sNN = 8.16 TeV（pPb）および5.02 TeV（PbPb）の結果を比較し、半径方向流れおよび遅延ハドロン化に与える示唆を考察する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pPbおよびPbPb衝突において、電荷バランス関数の幅は多重度および横運動量にどのように依存するか？
• RQ2 バランス関数の多重度依存性は、重イオン衝突における粒子生成およびハドロン化のタイミングに何を明らかにするか？
• RQ3 半径方向流れおよび集団的膨張は、バランス関数の方位角および縦方向の広がりにどの程度影響を及えるか？
• RQ4 pPbおよびPbPb衝突におけるバランス関数の結果は、HYDJET、HIJING、AMPTジェネレータの予測とどのように比較できるか？
• RQ5 中心系マスエネルギーが高くなるとバランス関数は狭くなるのか？ これはクォーク-グルーオンプラズマの進化に何を示唆するか？

主な発見

• pPbおよびPbPb衝突の両方において、pT < 2 GeV 範囲で多重度が増加するにつれてバランス関数の幅が狭くなることが確認され、高多重度系では電荷ペアの生成時刻が遅れていることを示唆している。
• 多重度にやや依存する電荷バランスの割合が観測され、ネット電荷フラクチュエーションが系のサイズおよびダイナミクスによって調整されていることを示している。
• 高エネルギー領域（pT > 2 GeV）では多重度依存性が観測されないため、高pT領域における粒子生成ダイナミクスは異なることを示している。
• √sNN = 5.02 TeV（PbPb）におけるバランス関数の幅は、√sNN = 8.16 TeV（pPb）よりも狭く、より高いエネルギーでの強化された半径方向流れおよび遅延ハドロン化と整合している。
• HYDJET、HIJING、AMPTジェネレータは、バランス関数幅の観測された多重度依存性を完全に再現できていないため、集団的効果および後段階のハドロン化効果をモデル化する能力に限界があることが示唆されている。
• バランス関数の積分から、電荷バランスペアの割合が多重度に敏感であることが判明し、局所的電荷保存則および物質の集団的性質が相関構造を形作る役割を果たしていることを支持している。