[논문 리뷰] Dielectron production at midrapidity at low transverse momentum in peripheral and semi-peripheral Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV

Alice Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 25.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 √sNN = 5.02 TeV에서의 비중앙성 및 반중앙성 Pb–Pb 충돌에서 중간속도 영역에서 저전위성운동량 디전자어 쌍(pT,ee < 0.1 GeV/c)의 첫 번째 측정을 제시한다. 0.1 GeV/c 이하에서 e+e− 쌍의 뚜렷한 초과가 관측되었으며, 이는 초고속 상대론적 핵에서 강한 전자기장으로부터 유도된 광자-광자 융합 과정에 의해 잘 설명된다. 최저차수 양자전자역학(QED) 및 영향매개변수 의존 모델 모두 실험 데이터와 양호한 일치를 보인다.

ABSTRACT

The first measurement of the ${ m e}^{+}{ m e}^{-}$ pair production at low lepton pair transverse momentum ($p_{ m T,ee}$) and low invariant mass ($m_{ m ee}$) in non-central Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV at the LHC is presented. The dielectron production is studied with the ALICE detector at midrapidity ($|η_{ m e}| &lt; 0.8$) as a function of invariant mass ($0.4 \leq m_{ m ee} &lt; 2.7$ GeV/$c^2$) in the 50$-$70% and 70$-$90% centrality classes for $p_{ m T,ee} &lt; 0.1$ GeV/$c$, and as a function of $p_{ m T,ee}$ in three $m_{ m ee}$ intervals in the most peripheral Pb$-$Pb collisions. Below a $p_{ m T,ee}$ of 0.1 GeV/$c$, a clear excess of ${ m e}^{+}{ m e}^{-}$ pairs is found compared to the expectations from known hadronic sources and predictions of thermal radiation from the medium. The $m_{ m ee}$ excess spectra are reproduced, within uncertainties, by different predictions of the photon$-$photon production of dielectrons, where the photons originate from the extremely strong electromagnetic fields generated by the highly Lorentz-contracted Pb nuclei. Lowest-order quantum electrodynamic (QED) calculations, as well as a model that takes into account the impact-parameter dependence of the average transverse momentum of the photons, also provide a good description of the $p_{ m T,ee}$ spectra. The measured $\sqrt{\langle p_{ m T,ee}^{2} angle}$ of the excess $p_{ m T,ee}$ spectrum in peripheral Pb$-$Pb collisions is found to be comparable to the values observed previously at RHIC in a similar phase-space region.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 5.02 TeV에서 비중앙성 Pb–Pb 충돌에서 저전위성운동량(pT,ee < 0.1 GeV/c) 및 저임의질량(0.4 ≤ mee < 2.7 GeV/c²)에서 디전자어 생산을 측정하기 위해.
• 기존의 강입자 기여 및 열복사 예측과 비교할 때 관측된 디전자어 수율 초과의 기원을 조사하기 위해.
• 초과가 초고속 상대론적 중수핵에서 강한 전자기장으로부터 기인하는 광자-광자 융합 과정에 의해 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.
• 실험적 pT,ee 스펙트럼을 최저차수 QED 및 영향매개변수 의존 모델과 비교하기 위해.
• 유사한 운동역학적 영역에서 RHIC의 이전 결과와 비교하여 측정된 디전자어 스펙트럼의 일관성을 평가하기 위해.

제안 방법

• LHC의 ALICE 검출기를 활용하여 √sNN = 5.02 TeV에서 비중앙성 Pb–Pb 충돌의 50–70% 및 70–90% 중심성 범주에서 데이터를 수집하였다.
• 중간속도 영역(|ηe| < 0.8)에서 디전자어 쌍을 측정하고, 그들의 임의질량(mee) 및 전위성운동량(pT,ee) 분포를 분석하였다.
• 로렌츠 수축된 핵에서 유도된 준실재 광자 흐름을 모델링하기 위해 등가 광자 근사(EP) 프레임워크를 적용하였다.
• 로렌츠 인자 및 광자 에너지 의존성을 포함하여 γγ → e+e− 단면적을 계산하기 위해 최저차수 양자전자역학(LOQED) 계산을 사용하였다.
• 충돌 기하학에 따라 광자의 평균 횡운동량을 고려하는 영향매개변수 의존 모델을 통합하였다.
• EP, LOQED 및 영향매개변수 모델의 예측과 측정된 pT,ee 스펙트럼 및 mee 분포를 비교하여 적합도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV에서 비중앙성 Pb–Pb 충돌에서 저pT,ee 영역에서 관측된 디전자어 초과의 기원은 무엇인가?
• RQ2 강한 전자기장에서 기인하는 광자-광자 융합 과정이 디전자어 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ3 최저차수 QED 및 영향매개변수 의존 모델이 측정된 pT,ee 스펙트럼을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ4 비중앙성 충돌에서 측정된 초과 스펙트럼의 ⟨p²T,ee⟩가 유사한 위상공간 영역에서 RHIC의 이전 측정과 일치하는가?
• RQ5 전자기 상호작용은 하드입자 중이온 충돌에서 저-pT,ee 디전자어 스펙트럼 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 비중앙성 및 반중앙성 Pb–Pb 충돌에서 pT,ee < 0.1 GeV/c 영역에서 e+e− 쌍의 뚜렷한 초과가 관측되었으며, 이는 알려진 강입자 기여 및 열복사 예측을 초월한다.
• 디전자어 초과 스펙트럼은 로렌츠 수축된 Pb 핵에서 기인하는 강한 전자기장으로부터 유도된 광자-광자 융합 예측에 따라 불확실성 범위 내에서 재현된다.
• 최저차수 QED 계산은 측정된 pT,ee 스펙트럼을 잘 기술하며, 이는 이 운동역학 영역에서 브라이트-유프러의 과정이 지배적임을 확인한다.
• 준실재 광자의 평균 횡운동량의 영향매개변수 의존성을 반영한 모델도 데이터를 잘 기술하며, 충돌 기하학에 대한 민감성을 나타낸다.
• 비중앙성 충돌에서 초과 스펙트럼의 제곱근 평균 제곱운동량 ⟨p²T,ee⟩는 유사한 위상공간 영역에서 RHIC에서 관측된 값과 유사하다는 것이 확인되었다.
• 결과는 광자-광자 과정이 비중앙성 이벤트와 중간 중심성에서조차도 하드입자 중이온 충돌에서 저-pT,ee 디전자어 생산에 중요한 기여를 한다는 것을 보여준다.