[論文レビュー] Probing the interaction of semi-hard quarks and gluons with the underlying event in light- and heavy-flavor triggered proton-proton collisions

Róbert Vértesi, G. Bencédi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2021

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 34被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突における、軽いフレーバー（パイオン）または重いフレーバー（B中間子）の粒子によってトリガーされた場合の、基礎的イベント（UE）の違いを、PYTHIA 8 モンテカルロシミュレーションを用いて調査した。2 < pT < 8 GeV/c の中間的横運動量領域では、グルーオン初期のジェットが支配するパイオントリガーイベントは、クォーク初期のジェットが支配するB中間子トリガーイベントよりも、より強い色再結合効果と高いUE活性を示す。このフレーバー依存のUE応答は、初期のパートオンの色電荷とUE発展との直接的な関連を示している。

ABSTRACT

We study underlying-event observables in inelastic proton-proton (pp) collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV with identified light and heavy-flavor triggers using the PYTHIA 8 event generator. The study is performed as a function of the transverse momentum of the leading particle ($p_\mathrm{T}^{ m trigger}$). While at high $p_\mathrm{T}^{ m trigger}$ ($>10$ GeV/$c$) the underlying-event activity is independent of the leading particle species, at intermediate $p_\mathrm{T}^{ m trigger}$ ($2<p_\mathrm{T}^{ m trigger}<8$ GeV/$c$) it is larger in pion-triggered events than in events triggered with B mesons. Moreover, the underlying event in pion-triggered events, the majority of which are initiated by gluons, shows a stronger effect of color reconnection than events triggered with B-hadrons, that are mostly initiated by quark jets. The effect is observed at both hadronic and partonic level. Given that color reconnection affects the interaction among final partons before the hadronization, and that in the string model quarks (gluons) are connected to one (two) string piece(s), we conclude that the observed effect can be attributed to differences in the interactions of gluon and quark jets with the underlying event.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突における基礎的イベント（UE）が、ハード散乱過程における主な粒子のフレーバーにどのように依存するかを調査すること。
• 初期のパートオンの性質（クォーク対グルーオン）が、色再結合効果を通じてUE活性を変化させるかどうかを調査すること。
• 軽いフレーバーおよび重いフレーバーのトリガーを用いることで、実験的にクォークおよびグルーオン初期のジェット相互作用とUEを区別する可能性を評価すること。
• 高多重度 pp 事象における集団的挙動と真空中のQCDプロセスとの関連を理解するための現象論的基盤を提供すること。

提案手法

• √s = 13 TeV での 1 億件の pp 衝突を、PYTHIA 8.240 と Monash 2013 チューンを用いてシミュレーションした。
• イベントは、識別された荷電パイオン（π±）、D中間子、またはB中間子によってトリガーされ、pT > 0.5 GeV/c の条件を満たす必要があった。
• 基礎的イベントは、粒子密度および和運動量（ΣpT）の観測量を用いて、横方向領域（π/3 < |Δϕ| < 2π/3）で分析した。
• 色再結合（CR）は、異なる再結合範囲（RR = 0, 1.8, 10）を用いて体系的に変化させ、UE 観測量への影響を評価した。
• 複数パートオン衝突の数（⟨NMPI⟩）をトリガー pT の関数として計算し、CR 効果を調査した。
• シミュレーションフレームワークの妥当性を検証するため、ALICE の実験データ（荷電粒子）と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeV の pp 衝突において、軽いフレーバーと重いフレーバーのトリガーイベントにおける基礎的イベント活動はどのように異なるか？
• RQ2 初期のパートオンのフレーバー（クォーク対グルーオン）が、基礎的イベントにおける色再結合効果の強さに影響を与えるか？
• RQ3 観測されたUE応答は、主な粒子の横運動量に敏感であるか。もしそうなら、そのフレーバー依存性が最も顕著に現れる pT 範囲はどこか？
• RQ4 パイオンとB中間子トリガーイベント間のUE活動の差は、初期のパートオンの色電荷に起因するか？
• RQ5 色再結合は、ハード散乱過程と基礎的イベントとの間の関連をどの程度媒介しているか？

主な発見

• 中間的トリガー pT（2 < pT < 8 GeV/c）において、パイオントリガーイベントは B 中間子トリガーイベントよりも高い基礎的イベント活動を示しており、グルーオン初期のジェットにおけるより強いUE影響を示している。
• pT ≈ 4 GeV/c における複数パートオン衝突数（⟨NMPI⟩）の増大は、パイオントリガーイベントに特有であり、B 中間子トリガーイベントには認められない。これは、フレーバー依存の色再結合効果を示している。
• pT ≈ 4 GeV/c における ⟨NMPI⟩ の「ボーリング」構造は、グルーオン初期のジェットに起因するとされ、パイオンは主にグルーオンの崩壊から生成されるためである。
• B 中間子は、UE 活動が相対的に平坦で、研究された pT 範囲全域で色再結合の強度に依存しないことから、クォーク初期のジェットの良好な代理指標である。
• シミュレーション結果は、荷電粒子について ALICE 実験データと良好に一致しており、UE 観測量のモデルの予測能力が裏付けられた。
• 結果は、色再結合が UE に顕著に影響を与え、グルーオン初期のジェットではクォーク初期のジェットよりもその影響が強いことを確認した。これにより、パートオンのフレーバーとUE発展との関連が明確にされた。