[論文レビュー] $Z^0$ boson associated b-jet production in high-energy nuclear collisions

Sa Wang, Wei Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ハドロン的背景を有するモンテカルロ輸送モデルを用いて、Pb+Pb衝突におけるZ⁰ボソン付きb-クォークジェット生成の最初の理論的考察を提示する。b-ジェットは、クォーク-グルーオンプラズマ内でのクォーク質量効果によりエネルギー損失が小さくなるため、軽いクォークジェットと比較して、方位角相関抑制が弱く、核修正因子（I_{AA}）が大きいことが判明した。これは、ジェットクエンチングの質量階層を明確に探るためのクリアなプローブを提供する。

ABSTRACT

The production of vector boson tagged heavy quark jets potentially provides new tools to probe the jet quenching effect. In this paper, we present the first theoretical study on the angular correlations ($Δϕ_{bZ}$), transverse momentum imbalance ($x_{bZ}$), and nuclear modification factor ($I_{AA}$) of $Z^0$ boson tagged b-jets in heavy-ion collisions, which was performed using a Monte Carlo transport model. We find that the medium modification of the $Δϕ_{bZ}$ for $Z^0\,+\,$b-jet has a weaker dependence on $Δϕ_{bZ}$ than that for $Z^0\,+\,$jet, and the modification patterns are sensitive to the initial jet $p_T$ distribution. Additionally, with the high purity of the quark jet in $Z^0\,+\,$(b-)jet production, we calculate the momentum imbalance $x_{bZ}$ and the nuclear modification factor $I_{AA}$ of $Z^0\,+\,$b-jet in Pb+Pb collisions. We observe a smaller $Δ\left\langle x_{jZ} ight angle$ and larger $I_{AA}$ of $Z^0\,+\,$b-jet in Pb+Pb collisions relative to those of $Z^0\,+\,$jet, which may be an indication of the mass effect of jet quenching and can be tested in future measurements.

研究の動機と目的

• Pb+Pb衝突におけるZ⁰付きb-ジェットの媒体中での修正を、ジェットクエンチングのプローブとして調査すること。
• Z⁰+ジェットおよびZ⁰+b-ジェット系の媒体中での挙動を比較し、エネルギー損失に及ぼす質量効果を分離すること。
• √s_{NN} = 5.02 TeVにおける中央部Pb+Pb衝突において、方位角相関（Δϕ_{bZ}）、運動量不均衡（x_{bZ}）、核修正因子（I_{AA}）を分析すること。
• Z⁰ボソンによる高純度のクォークジェットタギングを用いて、将来のLHC測定の検証可能な予測を提供すること。
• 軽いクォークジェットと重いクォークジェットの間の抑制パターンを比較することで、未解決のジェットクエンチングの質量階層の謎を解明すること。

提案手法

• QGP内での弾性および非弾性ジェット-媒体相互作用を含むモンテカルロ輸送モデルを、流体力学的背景とともに用いて、QGP内でのジェット進化をシミュレートした。
• Z⁰+b-ジェット生成のp+pベースラインを生成するために、NLO+PSイベントジェネレータSHERPAを用い、CMSデータと整合性を確認した。
• √s_{NN} = 5.02 TeVにおける中央部0–10% Pb+Pb衝突において、Z⁰+ジェットおよびZ⁰+b-ジェット生成をシミュレートした。
• ジェット-媒体相互作用を調べるために、方位角相関Δϕ_{bZ}および運動量不均衡x_{bZ}を計算した。
• 媒体由来のジェット生成量の抑制を定量化するために、核修正因子I_{AA}を計算した。
• 初期ジェットp_T分布およびZ⁰ボソンの横方向運動量に依存する媒体修正の依存性を分析した。

Figure 2: Differential cross section of $Z^{0}\,+\,$ b-jet simulated by SHERPA (blue line) in the p+p collision at $\sqrt{s}=8$ TeV as a function of transverse momentum of the highest- $p_{T}$ b-jet (upper panel) and the transverse momentum of the $Z^{0}$ boson (bottom panel) compared with the CMS d

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z⁰+b-ジェットにおけるΔϕ_{bZ}の媒体中での修正は、Z⁰+ジェットと比較してどのように異なるのか。これにより、ジェット-媒体相互作用の性質はどのような情報を示すのか。
• RQ2 ジェットの初期p_T分布が、方位角相関における観測された媒体中での修正にどの程度影響を及ぼすのか。
• RQ3 Z⁰+b-ジェット系は、Z⁰+ジェットと比較してI_{AA}が小さいか。これは、b-クォーク質量によるエネルギー損失の低減を示唆するか。
• RQ4 運動量不均衡x_{bZ}は、軽いクォークジェットと重いクォークジェットのクエンチングを区別するための感受性の高い観測量として機能するか。
• RQ5 Z⁰+b-ジェットとZ⁰+ジェットの抑制パターンに測定可能な差が存在するか。その差が、ジェットクエンチングにおける質量効果を確認するものとなるか。

主な発見

• b-タギングにより複数ジェット寄与が抑制されるため、Z⁰+b-ジェットにおけるΔϕ_{bZ}の抑制は、Z⁰+ジェットと比較して方位角に依存する度合いが弱い。
• p+p衝突におけるジェットの初期p_T分布は、Pb+Pb衝突におけるΔϕ_{bZ}の媒体中での修正パターンに強く影響する。
• 運動量不均衡x_{bZ}は、Z⁰+jetsに対してZ⁰+b-jetsよりも大きなシフトを示しており、軽いクォークジェットのエネルギー損失が強いことを示している。
• すべてのp_T領域において、Z⁰+jetsの核修正因子I_{AA}はZ⁰+b-jetsよりも小さい。これは、b-ジェットの抑制が小さいことを確認している。
• Z⁰の高エネルギー領域（80–120 GeV）では、低エネルギー領域のジェットp_TでI_{AA}が1を超える。これは、断面積の急峻な勾配と、媒体内でのp_Tシフトによるものである。
• 結果は、ジェットクエンチングに質量効果が存在することを支持しており、b-ジェットは軽いクォークジェットよりもエネルギーをあまり失わない。これは最近のATLAS測定と整合的である。

Figure 3: Differential cross section of $Z^{0}\,+\,$ b-jet simulated by SHERPA (blue line) in the p+p collision at $\sqrt{s}=8$ TeV as a function of azimuthal angular difference $\Delta\phi_{bZ}=|\phi_{b}-\phi_{Z}|$ of $Z^{0}$ boson and b-jet (upper panel) and the azimuthal angular difference $\Delt