[논문 리뷰] Azimuthal Correlations within Exclusive Dijets with Large Momentum Transfer in Photon-Lead Collisions

A. Tumasyan, W. Adam외 2319명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CMS 데이터 0.38 nb⁻¹를 사용하여 √sNN = 5.02 TeV에서 포톤- lead 충돌에서 큰 운동량 전달을 갖는 배제적 디제트 사건에서의 원추형 상관관계를 처음으로 측정한다. ⟨cos(2Φ)⟩는 디제트의 횡방향 운동량이 증가함에 따라 양의, 증가하는 경향을 보이며, 이는 주로 HERA 기반 모델이 기술하지 못하는 양성자 내 글루온의 극화 효과를 시사한다.

ABSTRACT

The structure of nucleons is multidimensional and depends on the transverse momenta, spatial geometry, and polarization of the constituent partons. Such a structure can be studied using high-energy photons produced in ultraperipheral heavy-ion collisions. The first measurement of the azimuthal angular correlations of exclusively produced events with two jets in photon-lead interactions at large momentum transfer is presented, a process that is considered to be sensitive to the underlying nuclear gluon polarization. This study uses a data sample of ultraperipheral lead-lead collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.02 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 0.38 nb$^{-1}$, collected with the CMS experiment at the LHC. The measured second harmonic of the correlation between the sum and difference of the two jet momenta is found to be positive, and rising, as the dijet momentum increases. A well-tuned model that has been successful at describing a wide range of proton scattering data from the HERA experiments fails to describe the observed correlations, suggesting the presence of gluon polarization effects.

연구 동기 및 목표

• 초기 고에너지 포톤을 이용하여 핵 내 양성자의 다차원적 구조, 특히 글루온 극화를 탐구하기 위해.
• 큰 운동량 전달에서의 배제적 디제트 생성 사건에서 제트 간의 원추형 각도 상관관계를 측정하여 핵 내 글루온 극화에 민감한 과정을 분석하기 위해.
• 기존의 모델(특히 HERA 양성자 산란 데이터에 캘리브레이션된 모델)이 LHC에서의 포톤-핵 상호작용 신호와 얼마나 일치하는지 검증하기 위해.
• 실험적 측정을 통해 초기상태 및 최종상태 복사 효과를 구분함으로써 원추형 상관관계를 해석하는 데 발생하는 애매함을 해결하기 위해.

제안 방법

• CMS 실험에서 확보한 √sNN = 5.02 TeV의 초고에너지 Pb-Pb 충돌 데이터를 사용하였으며, 누적 광도는 0.38 nb⁻¹에 해당한다.
• 큰 빠르기 갭과 큰 운동량 전달을 갖는 배제적 디제트 사건을 선별하기 위해 이중 수준의 트리거 시스템을 적용하였으며, ECAL에서의 높은 횡방향 에너지 요구 조건과 HF 캘리메터에서의 신호 억제 조건을 포함한다.
• 두 제트의 횡방향 운동량 벡터 합과 차의 원추형 각도 Φ 사이의 두 번째 푸리에 조화 ⟨cos(2Φ)⟩를 측정하였다.
• 운동량 재구성 및 사건 선별 기준을 적용하여 비배제적 상호작용 및 다중파트온 상호작용를 포함한 배경 과정으로부터 배제적 디제트 사건을 분리하였다.
• HERA 데이터에 기반한 잘 캘리브레이션된 모델의 예측과 측정된 ⟨cos(2Φ)⟩를 비교하였으며, 이 모델은 양성자-양성자 산란을 잘 기술하지만 관측된 상승 경향을 기술하지 못한다.
• 공개 접근을 위한 HEPData를 활용하여 표 형태의 결과를 제공하고, 향후 이론 모델과의 비교를 위해 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포톤-_lead 충돌에서의 배제적 디제트 생성에 있어서 원추형 상관관계 ⟨cos(2Φ)⟩가 글루온 극화를 포함한 모델이 예측하는 바와 같이 디제트의 횡방향 운동량 증가에 따라 상승하는가?
• RQ2 기존의 HERA 데이터에 기반한 모델이 고에너지 포톤-핵 상호작용에서 관측된 ⟨cos(2Φ)⟩를 어느 정도 잘 기술하는가?
• RQ3 관측된 원추형 상관관계는 최종상태 복사 효과로만 설명될 수 있는가, 아니면 핵 내 본질적인 글루온 극화가 관여하는가?
• RQ4 파트온 샤워에서 기인하는 초기상태 복사 효과가 디제트 사건에서의 명백한 원추형 비상관관계를 어떻게 유도하는가?
• RQ5 UPC에서의 배제적 디제트 생성에서의 각도 상관관계는 핵 내 글루온의 다차원적 구조를 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 측정된 두 번째 푸리에 조화 ⟨cos(2Φ)⟩는 양이며, 디제트의 횡방향 운동량 증가에 따라 증가하는 경향을 보이며, 원추형 비상관관계 효과가 점점 커지는 것으로 나타났다.
• 관측된 ⟨cos(2Φ)⟩의 상승 경향은 광범위한 HERA 양성자 산란 데이터를 잘 기술하는 잘 캘리브레이션된 모델의 예측과 일치하지 않으며, 이는 추가적인 동역학, 예를 들어 글루온 극화가 현재 이론 프레임워크에 포함되어 있지 않음을 시사한다.
• HERA 기반 모델이 데이터를 기술하지 못하는 데에는 글루온 극화와 같은 추가적인 물리적 메커니즘이 존재할 가능성이 있음을 시사한다.
• 이 결과는 LHC에서 포톤-핵 충돌에서의 배제적 디제트 생성에 있어서 원추형 상관관계를 처음으로 실험적으로 입증한 것으로, 핵 내 글루온 구조를 탐색하는 새로운 채널을 열었다.
• 관측된 상관관계는 최근 계산에서 예측하는 바와 같이 비제로의 조화를 갖지만, 데이터의 크기와 경향은 이러한 예측을 초월하므로, 최종상태 복사 효과만으로는 충분히 설명되지 않는다.
• 이러한 발견들은 핵 충돌에서 관측된 각도 상관관계에 기여하는 글루온 극화의 기여를 분리하기 위한 향후 이론적 및 실험적 노력의 필요성을 강조한다.