[論文レビュー] Particle rapidity distribution in proton-nucleus collisions using the proton-contributor reference frame

G. Mart́inez Garćia|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2014

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、陽子と核内の参加する核子の重心系を基準とするプロトン貢献者フレームを提案する。このフレームにおいて、粒子の急速度分布は陽子と参加核子の重心系を中心に左右対称となる。このモデルでは、陽子-核子フレームとプロトン貢献者フレームの間の急速度ギャップを考慮し、pp衝突における分布を基準とし、それらをずらした形で、√sNN = 5.02 TeV の p–Pb 衝突における荷電粒子、J/ψ、Z ボソンの急速度分布を定性的に説明する。

ABSTRACT

I define the proton-contributor reference frame in proton nucleus (p--A) collisions as the center of mass of the system formed by the proton and the participant nucleons of the nucleus. Assuming that the rapidity distribution of produced particles is symmetric in the proton-contributor reference frame, several measurements in p-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02 { m TeV}$ can be described qualitatively. These include rapidity distributions of charged particles, $J/ψ$ and Z bosons.

研究の動機と目的

• pp や AA システムとは異なり、急速度分布に自然な対称性が定義されない p–A 衝突における急速度分布の明確な基準フレームの欠如を解決すること。
• LHC エネルギー下での p–Pb 衝突における荷電粒子、J/ψ、Z ボソンの急速度分布に観測された非対称性を解消すること。
• 陽子-核子重心系フレームの代替として、陽子とすべての参加核子からなるプロトン貢献者系を導入すること。
• 1つの基準フレームを用いて、p–Pb 衝突における中心性依存の粒子生成率と前向き/後向き比を、現象論的に説明すること。
• 陽子-核子フレームとプロトン貢献者フレームの間の急速度ギャップに基づく、新たな実験的観測量を提案すること。

提案手法

• Glauber モデルを用いて、核内の陽子と参加核子の重心系（pC 系）の質量と運動量を計算し、pC 系を定義する。
• 相対論的運動論を用いて、実験フレームにおける pC 系の急速度を計算する：y_pC = tanh⁻¹(p_pC / E_pC)、ここで p_pC と E_pC は pC 系の全運動量と全エネルギーである。
• p–A 衝突における生成粒子の急速度分布は、pp 衝突における分布の形と同一であり、陽子-核子フレームとプロトン貢献者フレームの間の急速度ギャップ Δy_pN-pC だけずれていると仮定する。
• 粒子生成率を dN_probe_pA/dy(y) = N × dN_probe_pp/dy(y - Δy_pN-pC) でモデル化し、N を正規化係数とする。
• Δy_pN-pC は、陽子-核子フレームの急速度 y_pN と pC フレームの急速度 y_pC を用いて計算する。最小偏位 p–Pb 衝突（⟨N_coll⟩ ≈ 6）では y_pC ≈ -0.430 である。
• モデル予測を、ATLAS、ALICE、CMS が提供する荷電粒子のpseudo-急速度比、J/ψ の抑制/増幅、Z ボソンの後向き対前向き比の実験データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV の p–Pb 衝突において、複数の粒子種の観測された急速度分布を、1つの基準フレームで説明できるか？
• RQ2 陽子と参加核子の重心系として定義されるプロトン貢献者フレームは、陽子-核子フレームよりも粒子生成の記述に優れているか？
• RQ3 p–Pb 衝突における Z ボソンの急速度分布が実験フレームで y ≈ -0.430 にピークを持つのはなぜか？これは pC フレームにおける対称的分布で説明可能か？
• RQ4 陽子-核子フレームとプロトン貢献者フレームの間の急速度ギャップ Δy_pN-pC は、p–Pb 衝突における Z ボソンの後向き対前向き比にどのように影響するか？
• RQ5 荷電粒子生成率の中心性依存性は、pC フレームにおける対称的急速度分布を仮定することで説明可能か？

主な発見

• 最小偏位 p–Pb 衝突におけるプロトン貢献者フレームの急速度 y_pC ≈ -0.430 は、実験フレームで測定された Z ボソン急速度分布のピークと一致する。
• モデルは、ATLAS が測定した中心性依存の荷電粒子 pseudo-急速度比を説明でき、中心的イベントでは分布がより負の急速度側にシフトすることが示された。
• ALICE のデータで観測された前向き急速度域における J/ψ の抑制と後向き急速度域における増幅は、pC フレームにおける対称的急速度分布を仮定することで定性的に再現された。
• CMS が測定した Z ボソンの後向き対前向き比は、標準的な pp に類似した急速度分布を pC フレームにずらしたモデルでよく再現され、Δy_pN-pC ≈ 0.895 となった。
• Z ボソンの急速度分布が y_pC ≈ -0.430 に中心を置くと予測され、実験観測の y ≈ -0.430 での最大値と一致した。
• モデルは、新たな核子修飾因子 R^pC_pA(y) = Y_pA(y) / ⟨N_coll⟩ × Y_pp(y - Δy_pN-pC) を提案し、これは pC フレーム仮説を検証する新たな観測量として利用可能である。