[논문 리뷰] Measurement of substructure-dependent jet suppression in Pb+Pb collisions at 5.02 TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 ATLAS 검출기로 5.02 TeV에서의 Pb+Pb 충돌에서 제트 억제를 측정하며, 소프트드롭 알고리즘을 통한 하위구조 민감도 제트 그루밍을 활용하여 첫 번째 하드 분열의 각도 척도 𝑟g를 탐색한다. 중심 영역에서 넓은 하위구조(큰 𝑟g)를 가진 제트는 좁은 제트보다 두 배로 더 억제됨을 발견하여, 쿼크-글루온 플라즈마에서 일관성 기반 제트 억제에 대한 직접적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

The ATLAS detector at the Large Hadron Collider has been used to measure jet substructure modification and suppression in Pb+Pb collisions at a nucleon-nucleon center-of-mass energy $\sqrt{s_{_\mathrm{NN}}}=5.02~\mathrm{TeV}$ in comparison with $pp$ collisions at $\sqrt{s}=5.02~\mathrm{TeV}$. The Pb+Pb data, collected in 2018, have an integrated luminosity of $1.72~\mathrm{nb^{-1}}$, while the $pp$ data, collected in 2017, have an integrated luminosity of $260~\mathrm{pb}^{-1}$. Jets used in this analysis are clustered using the anti-$k_{t}$ algorithm with a radius parameter $R=0.4$. The jet constituents, defined by both tracking and calorimeter information, are used to determine the angular scale $r_\mathrm{g}$ of the first hard splitting inside the jet by reclustering them using the Cambridge-Aachen algorithm and employing the soft-drop grooming technique. The nuclear modification factor, $R_\mathrm{AA}$, used to characterize jet suppression in Pb+Pb collisions, is presented differentially in $r_\mathrm{g}$, jet transverse momentum, and in intervals of collision centrality. The $R_\mathrm{AA}$ value is observed to depend significantly on jet $r_\mathrm{g}$. Jets produced with the largest measured $r_\mathrm{g}$ are found to be twice as suppressed as those with the smallest $r_\mathrm{g}$ in central Pb+Pb collisions. The $R_\mathrm{AA}$ values do not exhibit a strong variation with jet $p_\mathrm{T}$ in any of the $r_\mathrm{g}$ intervals. The $r_\mathrm{g}$ and $p_\mathrm{T}$ dependence of jet $R_\mathrm{AA}$ is qualitatively consistent with a picture of jet quenching arising from coherence and provides the most direct evidence in support of this approach.

연구 동기 및 목표

• 중간성 충돌에서 형성된 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)에서 제트 하위구조가 에너지 손실에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 제트 억제가 특히 첫 번째 하드 분열의 각도 척도에 따라 달라지는지 여부를 규명하기 위해.
• 𝑟g, 제트 𝑝T, 그리고 중심성에 따라 억제의 미분적 변화를 측정하여 제트 억제의 일관성 그림을 시험하기 위해.
• 제트 하위구조가 중간성 에너지 손실 메커니즘과 어떻게 연결되는지에 대한 실험적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 트래킹 및 칼로리메터 정보를 조합하여 반-𝑘𝑡 알고리즘(𝑅 = 0.4)을 사용해 제트를 재구성한다.
• 구성요소에 소프트드롭 그루밍 기법을 적용하여 하위구조를 탐색하고, 캐나다–아펜드 알고리즘을 통해 첫 번째 하드 분열의 각도 척도 𝑟g를 추출한다.
• Pb+Pb와 𝑝𝑝 충돌 간의 억제 정도를 정량화하기 위해 𝑟g, 제트 횡방향 운동량 𝑝T, 그리고 충돌 중심성에 따라 미분적으로 핵반환 인자 𝑅AA를 계산한다.
• 2018년의 1.72 nb⁻¹의 Pb+Pb 충돌 데이터와 2017년의 260 pb⁻¹의 𝑝𝑝 충돌 데이터를 비교하여 매체 유도 효과를 분리한다.
• 초기 상태 방사 및 비양자역학적 효과에 대한 민감도를 최소화하기 위해 억제의 하위구조 의존성에 초점을 맞춘 미분적 접근을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿼크-글루온 플라즈마에서 제트 억제는 𝑟g로 특징지어지는 제트의 하위구조에 따라 달라지는가?
• RQ2 제트에서 첫 번째 하드 분열의 각도 척도에 따라 억제 인자 𝑅AA는 어떻게 변하는가?
• RQ3 관측된 𝑟g 의존성은 일관성 기반 제트 억제 메커니즘과 일치하는가?
• RQ4 다양한 𝑟g 간격에서 제트 횡방향 운동량 또는 충돌 중심성에 따라 억제가 유의미하게 달라지는가?

주요 결과

• 중앙 영역의 Pb+Pb 충돌에서 측정된 𝑟g 값이 가장 큰 제트는 𝑟g 값이 가장 작은 제트보다 약 두 배로 더 억제된다.
• 핵반환 인자 𝑅AA는 𝑟g에 강한 의존성을 보이며, 넓고 이중 뿔형 제트에서 가장 큰 억제가 관측된다.
• 모든 𝑟g 간격에서 제트 횡방향 운동량 𝑝T에 따른 𝑅AA의 유의미한 변화는 관측되지 않아, 𝑟g 의존성이 억제 패tern을 지배함을 시사한다.
• 관측된 𝑟g 및 𝑝T 의존성은 매체 유도 분열이 넓은 제트에서 에너지 손실을 증가시키는 일관성 기반 제트 억제 그림과 정성적으로 일치한다.
• 이 연구는 하위구조 의존성 억제 측정을 통해 QGP 내에서 제트 하위구조와 차별적 에너지 손실 간의 직접적 실험적 증거를 제공하는 최초의 사례이다.