[論文レビュー] System-size dependence of the charged-particle pseudorapidity density at $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.02TeV for pp, p-Pb, and Pb-Pb collisions

Acharya, Shreyasi, Adamova, Dagmar+1022 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ALICE検出器のデータを用いて、√sNN = 5.02 TeVにおけるpp、p–Pb、Pb–Pb衝突における荷電粒子の擬似速さ密度を、体系的かつ初の比較を実施する。dNch/dηを頑健な仮定に基づきdNch/dyに変換することで、速さ分布の幅が減少し、系のサイズに伴いBjorkenエネルギー密度が約10倍に増加することが明らかになった。これは、より大きな系において密度の高い物質が徐々に形成されることを示唆している。

ABSTRACT

We present the first systematic comparison of the charged-particle pseudorapidity densities for three widely different collision systems, pp, p-Pb, and Pb-Pb, at the top energy of the Large Hadron Collider ($\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV) measured over a wide pseudorapidity range (${-3.5 <η<5}$), the widest possible among the four experiments at that facility. The systematic uncertainties are minimised since the measurements are recorded by the same experimental apparatus (ALICE). The distributions for p-Pb and Pb-Pb collisions are determined as a function of the centrality of the collisions, while results from pp collisions are reported for inelastic events with at least one charged particle at midrapidity. The charged-particle pseudorapidity densities are, under simple and robust assumptions, transformed to charged-particle rapidity densities. This allows for the calculation and the presentation of the evolution of the width of the rapidity distributions and of a lower bound on the Bjorken energy density, as a function of the number of participants in all three collision systems. We find a decreasing width of the particle production, and roughly a smooth ten fold increase in the energy density, as the system size grows, which is consistent with a gradually higher dense phase of matter.

研究の動機と目的

• LHCの最高エネルギーで、pp、p–Pb、Pb–Pbという3つの異なる衝突系における荷電粒子生成を比較すること。
• すべての測定に同一の検出器（ALICE）を用いることで、系統的不確かさを最小限に抑えること。
• 一貫した、単純な仮定に基づき、擬似速さ分布（dNch/dη）を速さ分布（dNch/dy）に変換すること。
• 参加する核子数の関数として、速さ分布の幅の進化を定量化し、Bjorkenエネルギー密度の下限を推定すること。
• 粒子生成およびエネルギー密度の系サイズ依存性を評価し、密度の高い脱カラーフォースト状態の形成を探る。

提案手法

• ALICE検出器のSPD（−2 < η < 2）、FMD（−3.5 < η < −1.8 および 1.8 < η < 5）、およびV0/ZDCを用いて、荷電粒子の擬似速さ密度（dNch/dη）を測定し、中央度選別に使用する。
• 媒質内の音速が一定であるという仮定に基づき、擬似速さ（η）から速さ（y）への一貫した単純な変換を実施する。
• 3つのすべての系について、参加する核子数（Npart）の関数として速さ分布の幅を計算する。
• 式 ε ≥ (1/τ) × (dE/dy) / (4πR²) を用いて、Bjorkenエネルギー密度の下限を推定する。ここでτは熱化時間、Rは系の半径である。
• p–PbおよびPb–Pb衝突では、V0およびZDC信号を用いて中央度依存補正を適用し、pp衝突では最小事象トリガーを用いる。
• 重心系フレームにおける対称性を確保するため、Pb前方からプロトン前方へのp–Pbデータをミラー変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √sNN = 5.02 TeVにおける、系サイズの増大に伴い（ppからPb–Pbに至る）、荷電粒子の速さ分布の幅はどのように変化するか？
• RQ2 pp、p–Pb、Pb–Pb衝突において、参加する核子数に伴いBjorkenエネルギー密度はどの程度増加するか？
• RQ3 粒子生成の系サイズ依存性は、密度の高い相の形成が段階的であることに一致しているか？
• RQ4 一貫した仮定のもとで、擬似速さ分布を速さ空間に変換した場合、pp、p–Pb、Pb–Pbの分布はどのように比較できるか？
• RQ5 各系におけるエネルギー密度の下限は何か？ また、これはNpartにどのように依存するか？

主な発見

• 荷電粒子の速さ分布の幅は、ppからPb–Pbに至る系サイズの増大に伴い、体系的に減少しており、より大きな系では粒子生成がより集中していることを示している。
• Bjorkenエネルギー密度は、ppから中央部Pb–Pb衝突に至る間で約10倍に増加し、1 GeV/fm³を超える値に達しており、脱カラーフォーストの閾値に達している。
• 中央部Pb–Pb衝突におけるエネルギー密度は、下限として約10 GeV/fm³に達しており、強い結合したクォーカン・グルーオンプラズマの形成と整合的である。
• 擬似速さから速さへの変換は、すべての系で頑健で一貫しており、分布の幅やエネルギー密度推定の信頼性のある比較を可能にしている。
• 粒子生成の系サイズ依存性は滑らかで連続的な進化を示しており、系サイズの増大に伴い密度の高い媒体への段階的移行が示唆されている。
• 結果は、参加する核子数の増加に伴い密度の高い物質の形成が滑らかに進行するというシナリオと整合しており、急激な相転移は見られない。