[논문 리뷰] Measurement of the $Z$ boson production cross-section in proton-lead collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}=8.16\,\mathrm{TeV}$

LHCb collaboration, Aaij, Roel외 1032명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 검출기로 2016년에 수집된 30.8 nb⁻¹의 통합 루미너시를 바탕으로, √sNN = 8.16 TeV에서 양성자_lead 충돌에서 Z 보손 생성 단면적, 전방-후방 비율, 핵소자화 인자에 대한 최초의 미분 측정을 제시한다. 결과는 핵소자분포함수(nuclear PDF) 예측과 양호한 일치를 보이며, 특히 LHCb의 고유한 전방 영역 커버리지 덕분에 x < 10⁻³ 영역에서 작은 Bjorken-x에서의 파arton 분포에 대해 강력한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

This article presents the first measurement of the differential $Z$-boson production cross-section in the forward region using proton-lead collisions with the LHCb detector. The dataset was collected at a nucleon-nucleon centre-of-mass energy of $\sqrt{s_\mathrm{NN}}=8.16\,\mathrm{TeV}$ in 2016, corresponding to an integrated luminosity of $30.8\,\mathrm{nb}^{-1}$. The forward-backward ratio and the nuclear modification factors are measured together with the differential cross-section as functions of the $Z$ boson rapidity in the centre-of-mass frame, the transverse momentum of the $Z$ boson and a geometric variable $ϕ^{*}$. The results are in good agreement with the predictions from nuclear parton distribution functions, providing strong constraining power at small Bjorken-$x$.

연구 동기 및 목표

• LHCb 검출기의 전방 커버리지 활용하여 √sNN = 8.16 TeV에서 양성자_lead 충돌에서 Z 보손 생성 단면적의 미분 측정.
• 중심질량 프레임에서 y∗Z, pZT, ϕ∗에 따라 변화하는 Z 보손 생성 단면적의 전방-후방 비율(RFB)을 결정.
• 전방 및 후방 충돌 설정 모두에서 Z → μ⁺μ⁻ 붕괴에 대한 핵소자화 인자(RpPb)를 추출.
• 데이터가 희소한 작은 Bjorken-x 영역(10⁻⁴ < x < 10⁻³)에서 핵소자분포함수(nPDF)에 대한 새로운 제약 조건 제공.
• 초기 상태 핵소자 효과에 대한 Z 보손 생성의 민감도를 시험하고, 초기 상태 및 최종 상태 매질 효과를 구별함.

제안 방법

• 2016년 √sNN = 8.16 TeV에서 LHCb 검출기로 수집된 30.8 nb⁻¹의 pPb 충돌 데이터를 사용하며, 별도로 전방(12.2 nb⁻¹)과 후방(18.6 nb⁻¹) 루미너시를 고려.
• Z 보손 후보는 Z → μ⁺μ⁻의 이무온 붕괴를 통해 재구성되며, 중앙질량 프레임에서 재구성된 전방 영역(2.0 < η < 4.5)에서의 뮤온을 식별.
• 미분 단면적은 Z 보손의 빠르기(y∗Z), 횡방향 운동량(pZT), 그리고 붕괴에서의 횡방향 운동량 불균형에 민감한 기하학적 변수 ϕ∗에 따라 측정.
• 전방-후방 비율(RFB)은 동일한 운동역학적 영역 내에서 전방(pPb) 및 후방(Pbp) 충돌의 단면적 비율로 계산.
• 핵소자화 인자(RpPb)는 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌 단면적과 pPb 단면적을 비교하여 추출하며, 정규화에 1.7 fb⁻¹의 pp 데이터를 사용.
• 최종 상태 복사(correction, fFSR) 포함된 전체 검출기 시뮬레이션과 함께 임베디드 최소-모서리 사건을 통한 수용성 및 효율성 정확한 모델링 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 8.16 TeV에서 pPb 충돌에서 Z 보손 생성 단면적의 미분 측정은 빠르기(y∗Z), 횡방향 운동량(pZT), ϕ∗에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Z 보손 생성의 전방-후방 비율(RFB)은 무엇이며, 운동역학적 영역에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 Z → μ⁺μ⁻에 대한 핵소자화 인자(RpPb)는 1과 어떻게 비교되며, 초기 상태 핵소자 효과에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 측정된 단면적과 비율은 작은 Bjorken-x 영역(x < 10⁻³)에서 핵소자분포함수(nPDF)에 얼마나 강력한 제약 조건을 제공하는가?
• RQ5 최신 nPDF 모델들(EPPS09, nCTEQ15 등)은 전방 영역에서 데이터를 얼마나 잘 기술하는가?

주요 결과

• √sNN = 8.16 TeV에서 pPb 충돌에서 Z → μ⁺μ⁻ 생성의 단면적은 중심질량 프레임에서 y∗Z = 2.0에서 4.0까지의 전방 영역에서 고정밀도로 측정되었다.
• 전방-후방 비율(RFB)은 대부분의 운동역학적 영역에서 1과 일치하며, pZT 구간 [0.2, 0.4] GeV에서는 0.65 ± 0.21 ± 0.05 ± 0.02에서, [63.0, 270.0] GeV에서는 1.03 ± 0.46 ± 0.08 ± 0.04로 변동하여 뚜렷한 비대칭성이 없음을 시사.
• 전방 영역에서 y∗Z ∈ [2.0, 2.5]일 때 핵소자화 인자 RpPb는 0.87 ± 0.10 ± 0.03 ± 0.02로 측정되었고, 후방 영역에서 pZT ∈ [0.0, 4.6] GeV일 때는 1.63 ± 0.24 ± 0.07 ± 0.04로 나타나 강한 운동역학적 의존성이 있음을 보여주었다.
• ϕ∗ 변수에서 RpPb 값은 전방 영역에서 ϕ∗ ∈ [0.00, 0.02]일 때 0.94 ± 0.13 ± 0.04 ± 0.02에서, [0.40, 4.00]일 때는 1.52 ± 0.29 ± 0.09 ± 0.04로 변화하여, 높은 ϕ∗ 영역에서 양성자_lead 충돌에서의 생성 증가를 나타내었다.
• 결과는 EPPS09 및 nCTEQ15와 같은 핵소자분포함수(nPDF) 예측과 양호한 일치를 보이며, 특히 10⁻⁴ < x < 10⁻³ 영역에서 작은 Bjorken-x에서의 nPDF에 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 측정 결과는 Z 보손 생성이 초기 상태 핵소자 효과에 민감함을 입증하고, 고에너지에서의 전방 영역에서 nPDF를 시험하기 위한 새로운 기준을 설정한다.