[논문 리뷰] Measurement of inclusive and leading subjet fragmentation in pp and Pb-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}}$ = 5.02 TeV

Acharya, Shreyasi, Adamova, Dagmar외 1037명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 21.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ALICE 검출기에서 √sNN = 5.02 TeV에서의 pp 및 Pb-Pb 충돌에서 포함형 및 주도하는 하위제트 분할을 처음으로 측정한다. 제트 냉각은 하위제트가 운반하는 횡방향 운동량 비율 zr를 통해 탐색되며, Pb-Pb에서 pp와 비교해 유의미한 수정이 관측되지 않았지만, zr < 0.95에서 딱딱해짐 경향과 일치하는 결과를 보이며, 양성자-구름 플라즈마 내 제트 냉각 메커니즘과 분할 함수의 일반성에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

This article presents new measurements of the fragmentation properties of jets in both proton-proton (pp) and heavy-ion collisions with the ALICE experiment at the LHC. We report distributions of the fraction $z_r$ of transverse momentum carried by subjets of radius $r$ within jets of radius $R$. Charged-particle jets are reconstructed at midrapidity using the anti-$k_{ m{T}}$ algorithm with jet radius $R=0.4$, and subjets are reconstructed by reclustering the jet constituents using the anti-$k_{ m{T}}$ algorithm with radii $r=0.1$ and $r=0.2$. In pp collisions, we measure both the inclusive and leading subjet distributions. We compare these measurements to perturbative calculations at next-to-leading logarithmic accuracy, which suggest a large impact of threshold resummation and hadronization effects on the $z_r$ distribution. In heavy-ion collisions, we measure the leading subjet distributions, which allow access to a region of harder jet fragmentation than has been probed by previous measurements of jet quenching via hadron fragmentation distributions. The $z_r$ distributions enable extraction of the parton-to-subjet fragmentation function and allow for tests of the universality of jet fragmentation functions in the quark-gluon plasma (QGP). We find no significant modification of $z_r$ distributions in Pb-Pb compared to pp collisions. However, the distributions are also consistent with a hardening trend for $z_r&lt;0.95$, as predicted by several jet quenching models. As $z_r ightarrow 1$ our results indicate that any such hardening effects cease, exposing qualitatively new possibilities to disentangle competing jet quenching mechanisms. By comparing our results to theoretical calculations based on an independent extraction of the parton-to-jet fragmentation function, we find consistency with the universality of jet fragmentation and no indication of factorization breaking in the QGP.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 5.02 TeV에서의 양성자-양성자 및 Pb-Pb 충돌에서 제트가 하위제트로 분할되는 것을 측정하여, 양성자-구름 플라즈마 내 제트 냉각을 탐색한다.
• 유한한 반경 r을 가진 하위제트를 사용함으로써 이전의 입자 기반 분할 측정보다 더 높은 zr 값을 접근함으로써, 딱딱한 제트 분할을 더 정밀하게 탐색할 수 있도록 한다.
• pp 및 Pb-Pb 충돌에서의 파arton-하위제트 분할을 비교함으로써, QGP 내 제트 분할 함수의 일반성 여부를 시험한다.
• zr → 1 근처의 zr 분포를 분석함으로써, 쿼크와 글루온의 에너지 손실 및 인자 분리 위반과 같은 경쟁적 제트 냉각 메커니즘을 분리해 낸다.
• 실험적 zr 분포를 다음 주기적 로그 정확도의 양자 chromodynamics 계산과 비교하여, 임계값 재정렬 및 입자화 효과의 영향을 평가한다.

제안 방법

• 제트 반경 R = 0.4를 사용한 anti-kT 알고리즘을 활용해 중간 빠르기에서 충전 입자 제트를 재구성한다.
• 더 작은 반경 r = 0.1 및 r = 0.2를 사용한 anti-kT 알고리즘을 활용해 제트 구성 요소를 재집결하여 하위제트를 정의하고, 하위제트 분할 비율 zr = pT,subjet / pT,jet를 정의한다.
• √sNN = 5.02 TeV에서의 pp 및 Pb-Pb 충돌에서 포함형 및 주도하는 하위제트의 zr 분포를 측정한다.
• 측정된 zr 분포를 다음 주기적 로그 정확도의 양자 chromodynamics 계산과 비교하며, 임계값 재정렬 및 입자화 효과를 포함한다.
• 독립적인 파arton-제트 분할 함수 추출 기반 이론 모델을 사용하여 QGP 내에서의 일반성 및 인자 분리 위반을 시험한다.
• pp 및 Pb-Pb 데이터 간 비교를 수행하여 매체 유도 수정을 추출하고, 다양한 zr 영역에서 제트 냉각 효과를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV에서 Pb-Pb 충돌에서 하위제트 분할 함수 zr는 pp 충돌과 비교해 어떻게 변화하는가?
• RQ2 pp 충돌에서의 zr 분포에 대해, 양자 chromodynamics에 의해 예측된 바와 같이 임계값 재정렬 및 입자화 효과는 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 제트 냉각 모델에서 매개체 유도 복사에 기반해 기대되는 바와 같이, Pb-Pb의 zr 분포는 고zr 값에서 딱딱해짐 증거를 보이는가?
• RQ4 양성자-하위제트 분할 함수의 일반성은 양성자-구름 플라즈마 내에서 유지되는가, 아니면 인자 분리 위반의 증거가 있는가?
• RQ5 하위제트 기반 zr 측정은 QGP 내에서 쿼크 및 글루온 제트 에너지 손실 간의 상호작용을 해소할 수 있는가, 특히 zr → 1 근처에서?

주요 결과

• 전체 zr 범위에서 Pb-Pb 충돌의 주도하는 하위제트 zr 분포에서 pp 충돌과 비교해 유의미한 수정이 관측되지 않았다.
• zr < 0.95 영역에서 Pb-Pb의 zr 분포는 매개체 유도 복사에 기반한 여러 제트 냉각 모델이 예측한 바와 같이 딱딱해짐 경향과 일치한다.
• zr → 1 영역에서 데이터는 어떤 딱딱해짐 효과도 멈추고 있음을 시사하며, 고분할 비율 영역에서 주요 제트 냉각 메커니즘이 정성적으로 변화했음을 시사한다.
• 측정된 zr 분포는 QGP 내 제트 분할 함수의 일반성과 일치하며, 매체 내에서의 인자 분리 위반 징후는 없었다.
• 파arton-제트 분할 함수의 독립적 추출 기반 이론 계산은 실험 데이터를 잘 재현하며, QGP 내에서 분할 일반성의 강건성을 지지한다.
• r = 0.1 및 r = 0.2를 가진 하위제트의 사용은 전통적인 입자 기반 분할보다 더 높은 zr 값에 접근할 수 있게 하여, 딱딱한 제트 분할 및 쿼크 지배 제트 샘플에 대한 더 민감한 탐색을 가능하게 한다.