[논문 리뷰] ALICE luminosity determination for Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{\mathrm{NN}}} = 5.02$ TeV

ALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 21.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 36인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Pb–Pb 충돌의 루미노시티를 √sNN = 5.02 TeV에서 정밀하게 결정하는 것을 제시한다. 두 가지 독립적인 시야 단면적(Zero Degree Calorimeter(ZDC)과 V0 검출기에서 유도)을 사용한 van der Meer 스캔을 통해 이루어지며, 비례 효과 보정 및 피팅 절차의 개선으로 총 루미노시티 불확실도를 2.5%로 낮추었다. 또한 탄성하지 않는 강입자 단면적을 7.67 ± 0.25 b로 측정하였으며, 이는 Glauber 모델 예측과 일치한다.

ABSTRACT

Luminosity determination within the ALICE experiment is based on the measurement, in van der Meer scans, of the cross sections for visible processes involving one or more detectors (visible cross sections). In 2015 and 2018, the Large Hadron Collider provided Pb–Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon pair of √s$_{NN}$ = 5.02 TeV. Two visible cross sections, associated with particle detection in the Zero Degree Calorimeter (ZDC) and in the V0 detector, were measured in a van der Meer scan.This article describes the experimental set-up and the analysis procedure, and presents the measurement results. The analysis involves a comprehensive study of beam-related effects and an improved fitting procedure, compared to previous ALICE studies, for the extraction of the visible cross section. The resulting uncertainty of both the ZDC-based and the V0-based luminosity measurement for the full sample is 2.5%. The inelastic cross section for hadronic interactions in Pb–Pb collisions at √s$_{NN}$ = 5.02 TeV, obtained by efficiency correction of the V0-based visible cross section, was measured to be 7.67 ± 0.25 b, in agreement with predictions using the Glauber model.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 5.02 TeV에서 Pb–Pb 충돌의 루미노시티를 고정밀도로 결정하는 것.
• van der Meer 스캔 중 ZDC와 V0 검출기를 사용하여 시야 단면적을 측정하는 것.
• 이전 ALICE 연구에 비해 비례 효과 모델링 및 피팅 절차의 개선을 통해 체계적 불확실도를 감소시키는 것.
• V0 기반 시야 단면적의 효율 보정을 통해 탄성하지 않는 강입자 단면적을 추출하는 것.
• 결과를 Glauber 모델 예측과 비교하여 검증하는 것.

제안 방법

• 횡방향 비틀림을 가진 빔 간격을 변화시키며 van der Meer 스캔을 수행하여 빔 이격도 함수로 시야 단면적을 측정한다.
• ZDC와 V0 검출기를 사용하여 루미노시티 보정을 위한 독립적인 시야 단면적을 측정한다.
• 비율 대 빔 이격도 데이터에서 효과적 빔 폭(hx0, hy0)을 추출하기 위해 개선된 피팅 절차를 적용한다.
• 비균일성, 빔-가스 상호작용, 빔 프로파일의 분리 불가능성 등 빔 관련 효과를 보정한다.
• 노멀라이즈된 빔 이격도를 실제 물리적 이격도로 변환하기 위해 길이 척도 캘리브레이션 스캔을 시행한다.
• V0 기반 시야 단면적과 데이터 기반으로 추정한 강입자 효율(εhad)을 조합하여 탄성하지 않는 강입자 단면적을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ZDC와 V0 검출기를 사용한 van der Meer 스캔을 통해 √sNN = 5.02 TeV에서 Pb–Pb 충돌의 정밀한 루미노시티는 무엇인가?
• RQ2 빔 관련 효과와 빔 프로파일의 분리 불가능성이 Pb–Pb 충돌에서 루미노시티 불확실도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 √sNN = 5.02 TeV에서 Pb–Pb 충돌의 탄성하지 않는 강입자 단면적은 얼마이며, Glauber 모델 예측과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ4 향상된 피팅 및 보정 절차는 루미노시티 결정의 체계적 불확실도를 얼마나 감소시키는가?
• RQ5 두 개의 독립적인 시야 과정(ZDC와 V0)에서 유도된 루미노시티 측정치는 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 전체 Pb–Pb 샘플의 루미노시티 불확실도는 빔 효과 모델링의 개선과 향상된 피팅 절차 덕분에 2.5%로 달성되었다.
• √sNN = 5.02 TeV에서 Pb–Pb 충돌의 탄성하지 않는 강입자 단면적은 7.67 ± 0.25 b로 측정되었다.
• 측정된 탄성하지 않는 단면적은 Glauber 모델의 예측과 일치한다.
• ZDC 기반 및 V0 기반 시야 단면적 모두 루미노시티 결정에 일관된 불확실도 수준으로 기여하였다.
• 빔 프로파일의 비분리성 효과는 정량화되었고, 이는 불확실도 감소에 기여하였다.
• V0 검출기에서 강입자 사건의 효율에 대한 데이터 기반 추정치를 활용함으로써 시뮬레이션에 의존하지 않고도 탄성하지 않는 단면적을 신뢰성 있게 추출할 수 있었다.