[논문 리뷰] Measurement of muon pairs produced via $γγ$ scattering in non-ultraperipheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{_\mathrm{NN}}} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2935명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 2015년과 2018년 ATLAS 데이터 1.94 nb⁻¹를 사용하여 √sNN = 5.02 TeV에서 비초구형 Pb+Pb 충돌에서 γγ 산란를 통해 이중뮤온 생성을 측정한다. 중심성에 따라 acoplanarity 및 k⊥ 분포의 넓어짐이 확인되며, 향상된 정밀도로 중심 충돌에서 작은 acoplanarity 및 k⊥에서의 감소가 관측된다. 반면 빠르기 분리나 사건 평면 방향에 대한 의존성은 유의미하지 않으며, 이는 자장 효과가 넓어짐의 주요 원인임을 배제한다.

ABSTRACT

Results of a measurement of dimuon photoproduction in non-ultraperipheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{_\mathrm{NN}}} = 5.02$ TeV are presented. The measurement uses ATLAS data from the 2015 and 2018 Pb+Pb data-taking periods at the LHC with an integrated luminosity of $1.94~\mathrm{nb}^{-1}$. The $γγ ightarrow μ^+μ^-$ pairs are identified via selections on pair momentum asymmetry and acoplanarity. Differential cross-sections for dimuon production are measured in different centrality, average muon momentum and pair rapidity intervals as functions of acoplanarity and $k_\perp$, the transverse momentum kick of one muon relative to the other. Measurements are also made as a function of the rapidity separation of the muons and the angle of the muon pair relative to the second-order event plane to test whether magnetic fields generated in the quark-gluon plasma affect the measured muons. A prior observation of a centrality-dependent broadening of the acoplanarity distribution is confirmed. Furthermore, the improved precision of the measurement reveals a depletion in the number of pairs having small acoplanarity or $k_{\perp}$ values in more central collisions. The acoplanarity distributions in a given centrality interval are observed to vary with the mean-$p_{\mathrm{T}}$ of the muons in the pair, but the $k_{\perp}$ distributions do not. Comparisons with recent theoretical predictions are made. The predicted trends associated with effects of magnetic fields on the dimuons are not observed.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 5.02 TeV에서 비초구형 Pb+Pb 충돌에서 γγ 산란를 통한 이중뮤온 생성을 측정하기 위해.
• 쿼크-글루온 플라즈마에서 생성된 자장이 이중뮤온 운동량에 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 플라즈마 내 전자기 상호작용으로 인한 acoplanarity 및 횡방향 운동량 불균형에 대한 이론 예측을 테스트하기 위해.
• 중심성, 평균 pT, 빠르기 분리, 사건 평면 방향에 대한 의존성을 측정하여 초기상태 효과와 최종상태 상호작용을 분리하기 위해.

제안 방법

• 쌍의 운동량 비대칭성과 acoplanarity에 대한 선택 기준을 사용하여 γγ→μ⁺μ⁻ 쌍을 식별한다.
• acoplanarity(α), 횡방향 운동량 킥(k⊥), 중심성, 뮤온 평균 pT, 쌍의 빠르기 등을 함수로 하는 미분 단면적을 측정한다.
• k⊥ 분포가 빠르기 분리 |Δy| 및 두 번째 계수 사건 평면에 대한 각도 |2Δϕ|에 따라 어떻게 변하는지 분석하여 자장 효과를 탐색한다.
• 데이터를 QED 계산과 핵형 PDF를 적용한 광자 위그너 함수 기반 모델과 비교하여 초기상태 대비 최종상태 효과를 평가한다.
• 통계 정밀도를 향상시키기 위해 향상된 트리거 및 재구성 기법을 적용한다.
• γγ 유도 이중뮤온 생성을 분리하기 위해 핵형 PDF를 적용한 STARlight 모델을 사용하여 배경을 제거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿼크-글루온 플라즈마 내 최종상태 전자기 산란와 일치하는 중심성에 따른 acoplanarity 분포의 넓어짐이 관측되는가?
• RQ2 자장 효과에 의해 예측되는 바와 같이, 뮤온 간 빠르기 분리 |Δy|에 따라 k⊥ 또는 acoplanarity에 유의미한 의존성이 존재하는가?
• RQ3 두 번째 계수 사건 평면에 대한 뮤온 쌍의 방향(충격 매개변수 및 자장 방향의 대체 척도)이 k⊥ 분포에 영향을 미치는가?
• RQ4 위그너 함수로 모델링된 초기상태 광자 횡방향 운동량 분포가 관측된 acoplanarity 및 k⊥ 분포를 어느 정도 설명하는가?
• RQ5 자장 효과를 포함한 이론 모델이 관측된 작은 k⊥ 및 α에서의 감소를 재현하는가?

주요 결과

• 특히 중심 충돌에서, 특히 작은 값 근처에서 acoplanarity 및 k⊥ 분포에 유의미한 감소가 관측되며, 통계 정밀도가 향상되어 더욱 명확하게 드러남.
• acoplanarity 분포는 뮤온의 평균 횡방향 운동량(¯pT)에 따라 강하게 변하지만, k⊥ 분포는 ¯pT에 거의 영향을 받지 않음.
• k⊥ 분포는 두 번째 계수 사건 평면에 대한 뮤온 쌍의 방향에 따라 변화가 없으며, 이는 자장에 의한 편향이 주요 원인이 아님을 배제함.
• k⊥ 분포는 빠르기 분리 |Δy|에 따라 변화하지 않으며, 이는 자장 효과에 의해 예측되는 tanh|Δy| 의존성과 정면으로 배치됨.
• QED 기반 계산이 위그너 함수 기반 모델보다 데이터를 더 정확히 기술하며, 후자는 관측된 감소보다 덜 예측함.
• 핵형 PDF를 적용한 STARlight 모델은 특히 중심 충돌에서 측정된 γγ→μ⁺μ⁻ 단면적을 과소평가함.