[논문 리뷰] Charged-hadron production in $pp$, $p$+Pb, Pb+Pb, and Xe+Xe collisions at $\sqrt{s_{_ ext{NN}}}=5$ TeV with the ATLAS detector at the LHC

G. Aad, Abbott, Braden Keim외 2917명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 검출기에서 $pp$, $p$+Pb, Pb+Pb 및 Xe+Xe 충돌에서 $√{s_{\text{NN}}} = 5.02$ 및 5.44 TeV에서 충전된 하드론 생성에 대한 고정밀 측정을 제시한다. 중간자-핵 충돌에서 $p_T$에 따라 억제가 다르게 나타나며, $p_T \approx 7$ GeV에서 局부 최소값과 $p_T \approx 2$ GeV에서 최대값을 보이며, $R_{p\text{Pb}}$는 $p_T \approx 3$ GeV에서 중간 정도의 증가를 보이며, 특히 Pb가 진행하는 방향에서 두드러진다.

ABSTRACT

This paper presents measurements of charged-hadron spectra obtained in $pp$, $p$+Pb, and Pb+Pb collisions at $\sqrt{s}$ or $\sqrt{s_{_ ext{NN}}}=5.02$ TeV, and in Xe+Xe collisions at $\sqrt{s_{_ ext{NN}}}=5.44$ TeV. The data recorded by the ATLAS detector at the LHC have total integrated luminosities of 25 pb${}^{-1}$, 28 nb${}^{-1}$, 0.50 nb${}^{-1}$, and 3 $\mu$b${}^{-1}$, respectively. The nuclear modification factors $R_{p ext{Pb}}$ and $R_ ext{AA}$ are obtained by comparing the spectra in heavy-ion and $pp$ collisions in a wide range of charged-particle transverse momenta and pseudorapidity. The nuclear modification factor $R_{p ext{Pb}}$ shows a moderate enhancement above unity with a maximum at $p_{\mathrm{T}} \approx 3$ GeV; the enhancement is stronger in the Pb-going direction. The nuclear modification factors in both Pb+Pb and Xe+Xe collisions feature a significant, centrality-dependent suppression. They show a similar distinct $p_{\mathrm{T}}$-dependence with a local maximum at $p_{\mathrm{T}} \approx 2$ GeV and a local minimum at $p_{\mathrm{T}} \approx 7$ GeV. This dependence is more distinguishable in more central collisions. No significant $|\eta|$-dependence is found. A comprehensive comparison with several theoretical predictions is also provided. They typically describe $R_ ext{AA}$ better in central collisions and in the $p_{\mathrm{T}}$ range from about 10 to 100 GeV.

연구 동기 및 목표

• . 이 연구는 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)의 성질을 탐색하기 위해 다양한 충돌 시스템에서 충전된 하드론 생성의 변화를 정량화하는 것을 목적으로 한다.
• . $p$+Pb와 Pb+Pb, Xe+Xe 시스템을 비교하여 초기 상태 효과와 최종 상태 매질 효과를 분리하려 한다.
• . $p_T$, $\eta$, 그리고 중심도에 따라 $R_{AA}$와 $R_{p\text{Pb}}$를 측정하여 제트 끄로우닝 이론 모델을 시험하는 것이 목적이다.
• . 이전 ATLAS 측정치인 $\sqrt{s_{\text{NN}}} = 2.76$ TeV에서의 결과를 더 높은 에너지로 확장하고, $\sqrt{s_{\text{NN}}} = 5.44$ TeV에서의 새로운 Xe+Xe 데이터를 포함한다.
• . 이 분석은 QGP 내에서 파arton 에너지 손실과 매질 유도 방출에 관한 이론 모델에 대한 종합적인 제약 조건을 제공하는 것을 목표로 한다.

제안 방법

• . 충전된 하드론 스펙트럼은 $pp$, $p$+Pb, Pb+Pb 및 Xe+Xe 충돌에서 ATLAS 검출기의 트랙을 이용해 이벤트 및 트랙 선택 기준을 적용하여 재구성된다.
• . 핵소조인자수 $R_{AB}$는 A+A 또는 $p$+A 충돌에서 측정된 수율을 평균 핵두께 함수 $\langle T_{AB}\rangle$로 스케일링한 $pp$ 단면적에 비례하여 계산된다.
• . 중심도는 후방 칼로리미터에서 총 투과 에너지로 결정되며, 0–100% 충돌 중심도 범위로 분할된다.
• . 체계적 불확실성은 트랙 재구성 효율, 피크업 효과, 검출기 반응의 변화를 통해 평가되며, $R_{AA}$ 및 $R_{p\text{Pb}}$로 완전히 전파된다.
• . Xe+Xe의 $pp$ 기준은 낮은 $\sqrt{s}$에서의 $pp$ 데이터에서 외삽하여 추정하며, 단면적의 에너지 의존성이 무시할 만큼 작다고 가정한다.
• . 이론적 비교는 페르투르바티브 QCD와 매질 효과를 모두 포함하는 HKMPSW와 같은 모델을 사용하여 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . $√{s_{\text{NN}}} \approx 5$ TeV에서 $pp$, $p$+Pb, Pb+Pb 및 Xe+Xe 충돌 간에 충전된 하드론 생성의 $p_T$ 의존성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 . $p$+Pb에 비해 Pb+Pb 및 Xe+Xe 충돌에서 고-$p_T$ 하드론의 억제에 최종 상태 매질 효과가 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 . $R_{p\text{Pb}}$ 요소는 빠르도 비대칭성을 보이며, 이는 양성자-핵 충돌에서의 초기 상태 효과에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 . 중심 충돌과 외곽 충돌에서 비교할 때, Pb+Pb 및 Xe+Xe 충돌에서의 $R_{AA}$ 값은 형태와 크기 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 . 현재의 이론 모델은 저에너지 및 고에너지 $p_T$ 영역에서 측정된 $R_{AA}$를 얼마나 잘 기술하는가?

주요 결과

• . $p$+Pb 충돌에서 $R_{p\text{Pb}}$는 1을 초과하는 중간 정도의 증가를 보이며, $p_T \approx 3$ GeV에서 최대에 도달하며, 특히 Pb가 진행하는 방향에서 더 강한 증가를 보인다.
• . $R_{p\text{Pb}}$의 증가는 저에너지 $p_T$에서 가장 두드러지며, $p_T \approx 15$ GeV 이상에서는 감소하며, $|\eta|$에 대한 유의미한 의존성이 없다.
• . Pb+Pb 및 Xe+Xe 충돌에서 $R_{AA}$는 $p_T \approx 2$ GeV에서 局부 최대값과 $p_T \approx 7$ GeV에서 최소값을 보이는 특징적인 $p_T$ 의존성을 나타낸다.
• . $R_{AA}$의 억제는 가장 중심적인 충돌에서 가장 강하며, 중심 영역에서 최대 대 최소 비율이 가장 높다.
• . $R_{AA}$ 값은 $|\eta|$에 대해 매우 약한 의존성을 보이며, 억제 패tern에서 $\eta$에 대한 의존성이 거의 없다는 것을 시사한다.
• . HKMPSW와 같은 이론 모델은 중심 충돌에서 및 $p_T$가 7–100 GeV 사이일 때 $R_{AA}$를 합리적으로 잘 기술하지만, 고에너지 $p_T$ 또는 외곽 충돌에서는 이격되며, 저에너지 $p_T$ 데이터를 기술하지 못한다.