[논문 리뷰] Kinematic biases on centrality selection of jet events in pPb collisions at the LHC

N. Armesto, D. Gulhan외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 10.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 8인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 pPb 충돌에서 하드 제트와 언더라운드 이벤트 사이의 에너지-운동량 보존에 기반한 운동학적 편향 모델을 제안하며, 양성자 에너지 제약 조건이 중심도 선택에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다. PYTHIA-이중제트 이벤트와 양성자 파arton 운동량 분율에 따라 스케일링된 HIJING 언더라운드 이벤트를 조합함으로써, 중심에서 반중심에 이르는 충돌에서 CMS 및 ATLAS 제트 억제 데이터를 재현한다. 이는 운동학적 효과만으로도 관측된 중심도 의존성이 대부분 설명 가능하다는 것을 시사하며, 외곽 영역에서는 Pb 에너지 제약 조건이 지배적이므로 실패한다.

ABSTRACT

Centrality selection has been observed to have a large effect on jet observables in pPb collisions at the Large Hadron Collider, stronger than that predicted by the nuclear modification of parton densities. We study to which extent simple considerations of energy-momentum conservation between the hard process and the underlying event affect jets observables in such collisions. We develop a simplistic approach that considers first the production of jets in a pp collision as described by PYTHIA. From each pp collision, the value of the energy of the parton from the proton participating in the hard scattering is extracted. Then, the underlying event is generated simulating a pPb collision through HIJING, but with the energy of the proton decreased according to the value extracted in the previous step, and both collisions are superimposed. This model is able to capture the bulk of the centrality effect for central to semicentral collisions, for the two available sets of data: dijets from the CMS Collaboration and single jets from the ATLAS Collaboration. As expected, the model fails for peripheral collisions where very few nucleons from Pb participate.

연구 동기 및 목표

• pPb 충돌에서 하드 제트와 언더라운드 이벤트 사이의 에너지-운동량 보존에 기인한 운동학적 제약 조건이 제트 관측량의 강한 중심도 의존성을 설명할 수 있는지 조사하는 것.
• 관측된 중심도 효과(제트 억제율 R_{pPb})가 핵물질의 파arton 밀도 변화보다는 단순한 운동학적 편향에 기인하는지 평가하는 것.
• 특히 영향도 및 이벤트 활성도와 관련하여 비대칭 pPb 시스템에서 중심도 선택의 탄력성을 시험하는 것.
• 제트 관측량의 중심도 의존성을 결정짓는 데서 양성자 에너지 제약 조건의 역할을 분리하여 고려할 수 있는 최소한의 모델을 개발하는 것.
• 더 복잡한 핵물리 동역학에 기인한 효과로 해석하기 전에, pPb 충돌에서 제트 데이터를 해석하기 위한 기초 모델을 제공하는 것.

제안 방법

• √s = 5.02 TeV에서 PYTHIA를 사용해 이중제트 또는 단일제트 이벤트를 생성하고, 하드 산란에 관여한 양성자 파arton 운동량 분율(x_p)을 추출한다.
• HIJING을 사용해 최소한의 충돌 pPb 이벤트를 시뮬레이션하지만, 하드 과정과의 에너지-운동량 보존을 위해 양성자 빔 에너지를 (1−x_p) × E_p로 스케일링한다.
• 공통 기준 프레임에서 PYTHIA 하드 이벤트와 스케일링된 HIJING 언더라운드 이벤트를 중첩하여 전체 이벤트를 구성한다.
• 결합된 이벤트에서 제트 억제율 R_{pPb}를 계산하고, CMS(이중제트) 및 ATLAS(단일제트)의 실험 데이터와 비교한다.
• 실험 정의에 맞추어 Pb 방향(-4.9 < η < -3.2)의 총 횡방향 에너지 기반으로 중심도 선택을 적용한다.
• 중심도 클래스 전반에서 모델 성능을 평가하며, 중심에서 반중심에 이르는 이벤트에서 데이터와의 일치도에 집중한다. 외곽 이벤트에서는 실패함을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단지 양성자에 대한 에너지-운동량 보존 제약 조건만으로 pPb 충돌에서 관측된 제트 억제의 중심도 의존성을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ2 파arton 운동량 분율에 기반한 단순한 운동학적 모델이 CMS 및 ATLAS 제트 데이터에서 관측된 대부분의 중심도 효과를 재현할 수 있는가?
• RQ3 왜 모델은 외곽 pPb 충돌에서 실패하는가? 이는 Pb 에너지 제약 조건의 역할에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?
• RQ4 양성자 에너지 제약 조건을 포함함으로써 비대칭 충돌에서 중심도 선택의 해석은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 관측된 제트 관측량의 중심도 의존성 중에서 운동학적 편향에 기인하는 비율은 얼마나 되며, 핵물질의 파arton 밀도 변화에 기인한 영향은 어느 정도인가?

주요 결과

• 모델은 중심 및 반중심 pPb 충돌에서 CMS 이중제트 및 ATLAS 단일제트 데이터의 중심도 의존성 제트 억제(R_{pPb})를 성공적으로 재현한다.
• 특히 중심 영역(0–10% 및 20–30%)에서 데이터와의 일치가 뚜렷하며, 중심 편율 영역에서 높은 정확도를 보인다.
• 외곽 충돌(예: 60–90%)에서는 기대한 바와 같이 실패한다. 이는 Pb 에너지 제약 조건이 지배적이며, 모델에서 이를 고려하지 않았기 때문이다.
• 제트 관측량의 관측된 중심도 의존성은 핵물질의 파arton 밀도 변화보다는 주로 양성자에 대한 운동학적 제약 조건에 기인한다.
• 단순한 에너지-운동량 보존 효과가 복잡한 핵물리 동역학에 기인한 효과로 해석하기 전에 반드시 고려되어야 한다는 점을 모델이 시사한다.
• 결과는 비대칭 충돌에서 입사체 및 목표체 시스템 양쪽에 대한 제약 조건을 포함한 향상된 모델의 필요성을 강조한다.