[논문 리뷰] Measurement of $\psi(2S)$ nuclear modification at backward and forward rapidity in $p$$+$$p$, $p$$+$Al, and $p$$+$Au collisions at $\sqrt{s_{_{NN}}}=200$ GeV

U.A. Acharya, C. Aidala외 314명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 08.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 RHIC의 PHENIX 검출기로 200 GeV의 √sNN에서 p+Au, p+Al 및 p+p 충돌에서의 ψ(2S) 챸론늄 상태의 핵소멸 인자(nuclear modification factor)를 정면 및 후면 빠르기 영역에서 측정한다. p+Au 및 p+Al에서 p+p에 비해 ψ(2S)의 현저한 억제를 관측하였으며, 이는 파arton 에너지 손실 및 매질 유도 분해와 같은 강한 최종 상태 효과를 시사한다. 정면 빠르기에서 더 강한 억제는 냉각 핵물질 효과의 증가를 반영한다.

ABSTRACT

Suppression of the $J/\psi$ nuclear-modification factor has been seen as a trademark signature of final-state effects in large collision systems for decades. In small systems, the nuclear modification was attributed to cold-nuclear-matter effects until the observation of strong differential suppression of the $\psi(2S)$ state in $p/d$$+$$A$ collisions suggested the presence of final-state effects. Results of $J/\psi$ and $\psi(2S)$ measurements in the dimuon decay channel are presented here for $p$$+$$p$, $p$$+$Al, and $p$$+$Au collision systems at $\sqrt{s_{_{NN}}}=200$ GeV. The results are predominantly shown in the form of the nuclear-modification factor, $R_{pA}$, the ratio of the $\psi(2S)$ invariant yield per nucleon-nucleon collision in collisions of proton on target nucleus to that in $p$$+$$p$ collisions. Measurements of the $J/\psi$ and $\psi(2S)$ nuclear-modification factor are compared with shadowing and transport-model predictions, as well as to complementary measurements at Large-Hadron-Collider energies.

연구 동기 및 목표

• RHIC에서의 양성자-핵 충돌에서 ψ(2S) 채널륨 상태의 생성 및 수정을 조사하기 위해.
• 정면 및 후면 빠르기에서의 측정을 통해 무거운 쿼크onium 상태에 대한 냉각 핵물질 효과를 탐구하기 위해.
• 핵소멸 인자 및 최종 상태 상호작용에 대한 통찰을 얻기 위해 p+Au 및 p+Al 시스템에서의 ψ(2S) 억제를 비교하기 위해.
• 특히 파arton 에너지 손실과 그림자 효과를 포함하는 모델을 포함한 이론적 모델을 테스트하기 위해 핵 환경에서의 쿼크onium 억제를 검토하기 위해.
• J/ψ에 비해 크기가 더 크고 결합 에너지가 낮은 ψ(2S)의 특성에 기반해 빠르기 의존성의 핵소멸을 규명하기 위해.

제안 방법

• RHIC의 PHENIX 검출기를 사용하여 이무온 붕괴 채널을 통해 ψ(2S) 수확량을 측정한다.
• 고속도 및 저속도 빠르기에서의 이중 무논 쌍을 재구성하기 위해 정면 및 후면 실리콘 비텍스트러커를 활용한다.
• 고순도로 ψ(2S) → μ⁺μ⁻ 붕괴를 식별하기 위해 운동량 재구성 및 비트랙킹 피팅을 적용한다.
• 억제 정도를 정량화하기 위해 핵소멸 인자 R_AA = (1/N_coll) × (dN_ψ/dy)_{p+A} / (dN_ψ/dy)_{p+p} 를 계산한다.
• GEANT4 및 PYTHIA를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검출기 수용각, 효율성 및 배경을 보정한다.
• 결과를 p+p 기준 데이터 및 중간 매질 분해와 핵물질 PDF 효과를 포함한 이론 모델과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 200 GeV에서 p+Au 및 p+Al 충돌에서 ψ(2S)의 핵소멸 인자 R_AA 는 빠르기의 변화에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ2 p+A 충돌에서의 ψ(2S) 억제는 초기 상태 그림자 효과나 최종 상태 에너지 손실보다 냉각 핵물질 효과에 의해 얼마나 영향을 받는가?
• RQ3 ψ(2S) 억제는 정면 빠르기에서 후면 빠르기보다 더 강한가? 이는 핵물질의 공간적 및 운동량 의존성에 대해 무엇을 시사하는가?
• RQ4 핵소멸 인자 R_AA 의 관측된 값은 핵물질 파arton 분포 함수 및 중간 매질 분해를 포함한 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 p+Al에서의 ψ(2S) 억제 패턴은 p+Au와 다를까? 이는 핵의 크기 및 밀도의 역할을 어떻게 드러내는가?

주요 결과

• ψ(2S)의 핵소멸 인자 R_AA 는 p+Au 및 p+Al 충돌에서 p+p에 비해 현저히 억제되어 있으며, 모든 빠르기 영역에서 R_AA < 1 이다.
• 정면 빠르기(y > 0)에서의 억제는 후면 빠르기(y < 0)보다 더 강하며, 이는 정면 방향에서 더 강한 최종 상태 효과 또는 더 큰 파arton 에너지 손실을 시사한다.
• p+Au에서의 ψ(2S) R_AA 값은 최종 상태 에너지 손실 및 중간 매질 분해를 포함한 모델과 일치하지만, 일부 초기 상태 그림자 모델의 예측보다는 덜 억제되어 있다.
• p+Al에서의 억제 패턴은 p+Au와 유사하여, 효과가 핵의 크기에 의해 지배되지는 않으며, 국소적 파arton 밀도 및 에너지 손실에 의해 결정된다는 것을 시사한다.
• 관측된 억제는 J/ψ보다 더 뚜렷하며, 이는 ψ(2S)의 더 큰 크기와 낮은 결합 에너지가 매질 효과에 더 민감하다는 점과 일치한다.
• 결과는 억제가 오직 초기 상태 그림자에 기인한다는 모델을 배제하고, 핵물질 내 최종 상태 상호작용의 기여를 지지한다.