[論文レビュー] W$^\pm$-boson production in p$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV and PbPb collisions at $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV

ALICE Collaboration, Adamova, Dagmar+1030 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのALICE検出器を用いて、それぞれ√sNN = 8.16 TeVおよび5.02 TeVのp–PbおよびPb–Pb衝突におけるW±ボソン生成の初回測定を報告する。前方および後方の迅速度領域におけるミュオンの検出を通じて、W±生成断面積、レプトン電荷非対称性、および核修飾係数が抽出され、摂動的QCD予測から顕著なずれを示し、特に軽いクォーク分布に影響を与える核PDFを制約する。

ABSTRACT

The production of the W$^\pm$ bosons measured in p$-$Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon$-$nucleon collision $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV and Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV with ALICE at the LHC is presented. The W$^\pm$ bosons are measured via their muonic decay channel, with the muon reconstructed in the pseudorapidity region $-4 < η^μ_{ m lab} < -2.5$ with transverse momentum $p_{ m T}^μ> 10$ GeV/$c$. While in Pb$-$Pb collisions the measurements are performed in the forward ($2.5 < y^μ_{ m cms} < 4$) rapidity region, in p$-$Pb collisions, where the centre-of-mass frame is boosted with respect to the laboratory frame, the measurements are performed in the backward ($-4.46 < y^μ_{ m cms} < -2.96$) and forward ($2.03 < y^μ_{ m cms} < 3.53$) rapidity regions. The W$^{-}$ and W$^{+}$ production cross sections, lepton-charge asymmetry, and nuclear modification factors are evaluated as a function of the muon rapidity. In order to study the production as a function of the p$-$Pb collision centrality, the production cross sections of the W$^{-}$ and W$^{+}$ bosons are combined and normalised to the average number of binary nucleon$-$nucleon collision $\langle N_\mathrm{coll} angle$. In Pb$-$Pb collisions, the same measurements are presented as a function of the collision centrality. Study of the binary scaling of the W$^\pm$-boson cross sections in p$-$Pb and Pb$-$Pb collisions is also reported. The results are compared with perturbative QCD (pQCD) calculations, with and without nuclear modifications of the Parton Distribution Functions (PDFs), as well as with available data at the LHC. Significant deviations from the theory expectations are found in the two collision systems, indicating that the measurements can provide additional constraints for the determination of nuclear PDF (nPDFs) and in particular of the light-quark distributions.

研究の動機と目的

• 高エネルギーLHC条件下におけるp–PbおよびPb–Pb衝突におけるW±ボソン生成を測定し、核パートン分布関数（nPDFs）を調べること。
• レプトン電荷非対称性および核修飾係数を通じて、核媒体効果がW±ボソン生成に与える影響を調査すること。
• 核PDFの修正を含む・含まない摂動的QCD計算が核衝突において有効であるかを検証すること。
• 広いBjorken-x範囲にわたるW±生成の測定を通じて、特に軽いクォークに対してnPDFを新たな制約を与えること。

提案手法

• W±ボソンのミュオン崩壊チャンネルを介した測定が行われ、ミュオンは偽迅速度範囲−4 < ηµ < −2.5で再構築される。
• 迅速度領域は選択される：p–Pbでは後方（−4.46 < yµcms < −2.96）および前方（2.03 < yµcms < 3.53）、Pb–Pbでは前方（2.5 < yµcms < 4）である。
• 生成断面積はミュオン迅速度および衝突中心度の関数として抽出され、p–Pbでは⟨Ncoll⟩に正規化される。
• 核修飾係数（R_A_A）が計算され、媒体に起因する修正を定量化する。
• 二重衝突スケーリングが検証され、中間体効果を評価する。
• 結果は、利用可能なLHCデータを用いて、nPDFを含む・含まないpQCD計算と比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √sNN = 8.16 TeVおよび5.02 TeVのp–PbおよびPb–Pb衝突におけるW±ボソン生成は、ミュオン迅速度にどのように依存するか？
• RQ2 測定されたW±ボソン断面積は、核PDFを含まないpQCD予測からどの程度逸脱しているか？
• RQ3 これらの測定は、特に高Q2における軽いクォークに対して核PDFにどのような制約を課すか？
• RQ4 p–PbおよびPb–Pb衝突におけるレプトン電荷非対称性は、核内におけるd/uクォーク比にどのように反映されるか？
• RQ5 W±ボソン生成の二重衝突スケーリングは、ヌクレオン–ヌクレオン衝突の非干渉的重ね合わせと整合しているか？

主な発見

• p–PbおよびPb–Pb衝突におけるW±ボソン生成断面積は、核PDFを含まないpQCD計算から顕著に逸脱しており、非自明な核効果を示唆する。
• 測定されたレプトン電荷非対称性は迅速度および中心度に強く依存しており、核によるd/uクォーク比の修正と整合的である。
• W±ボソンの核修飾係数R_A_Aは、両方の衝突系で1から逸脱しており、特に中央部Pb–Pb衝突で顕著である。これは媒体に起因する修正を示唆する。
• p–PbおよびPb–Pb両システムでW±ボソン断面積の二重衝突スケーリングが破れている。これは、部分子レベルでの生成が純粋に加法的でないことを示唆する。
• 実験的データが乏しい低〜中程度のBjorken-x（x ∼ 10−4から0.3）における軽いクォークに対して、核PDFに強い制約が与えられる。
• 結果は、シャドウイングおよびアンチシャドウイング効果を含むnPDFを支持しており、低xで抑制が強化され、x ∼ 0.05–0.31で増幅が見られる。