[논문 리뷰] Exclusive dielectron production in ultraperipheral Pb+Pb collisions at $ \sqrt{s_{ extrm{NN}}} $ = 5.02 TeV with ATLAS

G. Aad, Abbott, Braden Keim외 2957명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 2018년 ATLAS 데이터에서 1.72 nb⁻¹의 데이터를 사용하여 √sNN = 5.02 TeV에서의 초순수한 양전자쌍 생성 γγ→e⁺e⁻를 정밀하게 측정한다. 총 피드유얼 단면적은 215 ± 1(통계)⁺²³₋₂₀(계측) ± 4(광도) μb로 측정되었으며, QED 예측과 양호한 일치를 보이며, 특히 고속도 및 고각도에서의 분포에서 체계적 편차가 나타나, 광자 조건 모델링과 핵 효과를 탐색할 수 있다.

ABSTRACT

Exclusive production of dielectron pairs, $\gamma\gamma ightarrow e^+e^-$, is studied using $\mathcal{L}_\mathrm{int}=1.72\; \mathrm{nb^{-1}}$ of data from ultraperipheral collisions of lead nuclei at $\sqrt{s_{_{ ext{NN}}}} = 5.02$ TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. The process of interest proceeds via photon-photon interaction in the strong electromagnetic fields of relativistic lead nuclei. Dielectron production is measured in the fiducial region defined by following requirements: electron transverse momentum, $p_{ extrm{T}}^{e} > 2.5$ GeV, absolute electron pseudorapidity, $|\eta^{e}| < 2.5$, invariant mass of the dielectron system, $m_{ee} > 5$ GeV, and transverse momentum of the dielecton pair, $p_{ extrm{T}}^{ee} < 2$ GeV. Differential cross-sections are measured as a function of $m_{ee}$, average $p_{ extrm{T}}^{e}$, absolute rapidity of the dielectron system, $|y_{ee}|$, and scattering angle in the dielectron rest frame, $|\cos heta^*|$ in the inclusive sample, and also under the requirement of no activity in the forward direction. The total integrated fiducial cross-section is measured to be $215 \pm 1 ext{(stat.)} ^{+23}_{-20} ext{(syst.)} \pm 4 ext{(lumi.)}\; \mu$b. Within experimental uncertainties the measured integrated cross-section is in good agreement with the QED predictions from the Monte Carlo programs Starlight and SuperChic, confirming the broad features of the initial photon fluxes. The differential cross-sections show systematic differences with these predictions which are more pronounced at high $|y_{ee}|$ and $|\cos heta^*|$ values.

연구 동기 및 목표

• 초순수한 Pb+Pb 충돌에서 √sNN = 5.02 TeV에서의 양전자쌍 생성을 측정하여 광자 조건과 QED 역학을 탐색한다.
• ATLAS 검출기에서 확보한 고정밀도 데이터를 사용하여 γγ→e⁺e⁻에 대한 QED 예측의 타당성을 검증한다.
• 앞서 발생하는 중성자 활동 탐지 기반으로 핵의 붕괴와 추가 광자 교환의 영향을 조사한다.
• γγ→τ⁺τ⁻ 및 빛-빛 산란과 같은 희귀 과정의 향후 측정에 대한 기준을 제공한다.

제안 방법

• 2018년에 ATLAS 검출기가 확보한 √sNN = 5.02 TeV에서의 Pb+Pb 충돌 데이터 1.72 nb⁻¹를 사용한다.
• 신호 선택에 피드유얼 조건을 적용한다: peT > 2.5 GeV, |ηe| < 2.5, mee > 5 GeV, peₑT < 2 GeV.
• 효율성, 분辨도, 재구성 효과를 보정하기 위해 세밀한 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 오염된 전자 식별 및 비초순수 과정 기여는 제어 영역과 시뮬레이션을 통해 추정하고 빼낸다.
• 포함 및 앞서 발생하는 활동 탐지 샘플에서 mee, 평균 peT, |yₑₑ|, |cos θ*|에 대한 미분 단면적을 측정한다.
• 선택 기준, 검출기 모델링, 광도 캘리브레이션의 변화를 통해 체계적 불확실성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV에서 초순수한 γγ→e⁺e⁻ 생성에 대한 총 피드유얼 단면적은 QED 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 mee, |yₑₑ|, |cos θ*|에 대한 분포는 Starlight와 SuperChic의 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 추가 광자 교환과 같은 새로운 물리학이나 핵 효과를 시사하는 측정 가능한 편차가 존재하는가?
• RQ4 앞서 발생하는 중성자 활동 탐지(핵의 붕괴를 나타냄)는 관측된 양전자쌍 운동량 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 초기 상태 광자 조건 모델링은 관측된 운동량 분포를 설명하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 초순수한 양전자쌍 생성에 대한 총 피드유얼 단면적은 215 ± 1(통계)⁺²³₋₂₀(계측) ± 4(광도) μb로 측정되었다.
• 측정된 총 단면적은 Starlight와 SuperChic의 QED 예측과 양호한 일치를 보이며, 광자 조건 모델의 일반적 특성을 확인한다.
• 미분 단면적은 예측과 체계적 편차를 보이며, 특히 고속도 및 고각도에서 두드러진다.
• 관측된 편차는 현재 광자 조건 모델링의 한계 또는 부가 광자 교환 효과가 있는 외곽 충돌에서의 영향을 시사한다.
• 앞서 발생하는 활동 탐지 샘플은 수익이 감소한 것으로 나타나, 핵의 붕괴가 초순수 과정을 억제한다는 데 일치한다.
• 결과는 γγ→e⁺e⁻ 과정에 대한 정밀한 기준을 제공하며, γγ→τ⁺τ⁻ 및 빛-빛 산란과 같은 희귀 과정에 대한 기준으로 사용될 수 있음을 뒷받침한다.