[논문 리뷰] Measurement of the nuclear modification factor of $b$-jets in 5.02 TeV Pb+Pb collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 검출기에서 5.02 TeV Pb+Pb 충돌에서 b-쿼크를 포함한 제트의 핵소멸 인자(RAA)에 대한 최초의 측정을 제시한다. b-쿼크의 반완전한 붕괴에서 발생하는 뮤온을 통해 b-제트를 재구성하고, 이를 포함된 제트와 비교함으로써, 중심 충돌에서 b-제트 RAA는 포함된 제트 RAA보다 더 크다는 것을 발견하였으며, 이는 쿼크-글루온 플라즈마 내에서 파articule 에너지 손실에 대해 질량과 색전하 효과가 작용한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

This paper presents a measurement of $b$-jet production in Pb+Pb and $pp$ collisions at $\sqrt{s_{_ extrm{NN}}}=5.02$ TeV with the ATLAS detector at the LHC. The measurement uses 260 $ extrm{pb}^{-1}$ of $pp$ collisions collected in 2017 and 1.4 $ extrm{nb}^{-1}$ of Pb+Pb collisions collected in 2018. In both collision systems, jets are reconstructed via the anti-$k_{t}$ algorithm. The $b$-jets are identified from a sample of jets containing muons from the semileptonic decay of $b$-quarks using template fits of the muon momentum relative to the jet axis. In $pp$ collisions, $b$-jets are reconstructed for radius parameters $R= 0.2$ and $R= 0.4$, and only $R= 0.2$ jets are used in Pb+Pb collisions. For comparison, inclusive $R= 0.2$ jets are also measured using 1.7 $ extrm{nb}^{-1}$ of Pb+Pb collisions collected in 2018 and the same $pp$ collision data as the $b$-jet measurement. The nuclear modification factor, $R_ extrm{AA}$, is calculated for both $b$-jets and inclusive jets with $R= 0.2$ over the transverse momentum range of 80--290 GeV. The nuclear modification factor for $b$-jets decreases from peripheral to central collisions. The ratio of the $b$-jet $R_ extrm{AA}$ to inclusive jet $R_ extrm{AA}$ is also presented and suggests that the $R_ extrm{AA}$ for $b$-jets is larger than that for inclusive jets in central Pb+Pb collisions. The measurements are compared with theoretical calculations and suggest a role for mass and colour-charge effects in partonic energy loss in heavy-ion collisions.

연구 동기 및 목표

• 5.02 TeV Pb+Pb 충돌에서 b-제트의 핵소멸 인자(RAA)를 측정하여 쿼크-글루온 플라즈마 내에서 파articule 에너지 손실을 탐구한다.
• b-제트의 억제를 포함된 제트와 비교하여 질량과 색전하 효과가 에너지 손실 메커니즘에 미치는 영향을 분리한다.
• 사라진 콘 효과와 매질 유도 방사선이 무거운 풍미 제트 억제에 미치는 역할을 조사한다.
• 무거운 쿼크를 포함한 제트 억제 이론 모델의 기준을 제공한다.

제안 방법

• pp 및 Pb+Pb 충돌에서 R = 0.2 및 R = 0.4를 사용한 anti-kT 알고리즘을 이용해 제트를 재구성하였다.
• 제트+μ 축에 대한 뮤온의 횡방향 운동량에 대한 템플릿 피팅을 통해 b-제트를 식별하였다.
• b-제트 뮤온과 c-쿼크 및 경량 하드론 붕괴를 구별하기 위해 상대 횡방향 운동량 p_rel^T = |p_μ^T × u_jet+μ^T|를 정의하였다.
• 260 pb⁻¹의 pp 데이터와 1.4 nb⁻¹의 Pb+Pb 데이터를 사용하여 pp 및 Pb+Pb 충돌에서 b-제트 및 포함된 제트의 단면적을 측정하였다.
• Pb+Pb에서의 단위 사건 수율을 pp에서의 수율로 나누어 RAA를 계산하였으며, 충돌 기하학에 따라 정규화하였다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 검출기 효과, 효율성 및 수용 범위 보정을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV에서 Pb+Pb 충돌에서 b-제트의 억제는 포함된 제트와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 b-제트의 핵소멸 인자 RAA는 충돌 중심도에 따라 의존하는가? 만약 그렇다면, 어떻게 의존하는가?
• RQ3 질량과 색전하 효과가 쿼크-글루온 플라즈마 내에서 파articule 에너지 손실에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 관측된 b-제트 RAA는 사라진 콘 효과를 포함한 이론 예측과 일치하는가?
• RQ5 b-제트 RAA와 포함된 제트 RAA의 비율은 복사 및 충돌성 에너지 손실 간의 상호작용을 어떻게 드러내는가?

주요 결과

• b-제트 RAA는 외곽 충돌에서 중심 충돌로 갈수록 감소하여 더 높은 밀도의 QGP 환경에서 더 강한 억제가 일어남을 시사한다.
• 중심 충돌에서 R = 0.2에서 b-제트 RAA는 포함된 제트 RAA보다 더 크며, pT ≈ 150 GeV에서 RAA(b-제트)/RAA(포함된 제트) ≈ 1.2이다.
• 측정된 b-제트 RAA는 사라진 콘 효과를 포함한 이론 모델과 일치하는 명확한 억제 패tern을 보였다.
• 중심 충돌에서 b-제트의 억제는 포함된 제트보다 약간 낮아, 무거운 쿼크에서 매질 유도 방사선이 감소함을 시사한다.
• 복사 및 충돌성 에너지 손실을 모두 포함한 이론 계산과 일치하며, 사라진 콘 효과가 중요한 기여를 한다.
• 본 연구는 5.02 TeV에서 Pb+Pb 충돌에서 b-제트 RAA에 대한 최초의 직접 측정을 제공하며, 무거운 풍미 제트 억제 연구의 운동량 영역을 확장한다.