[논문 리뷰] Measurements of longitudinal flow decorrelations in $pp$ and Xe+Xe collisions with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2942명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 13 TeV pp 및 5.44 TeV Xe+Xe 충돌에서 종방향 유동 상관관계를 측정하며, 비유동성 보정을 포함한 이차 입자 상관 방법을 사용하여 유체역학적 효과를 분리한다. 결과적으로, pp 및 외곽성 Xe+Xe 시스템에서의 상관관계를 기술하기 위해 아원자구조와 종방향 에너지 침착 변동성이 필수적임을 보여주며, 표준 유체역학을 초월한 비자명한 초기 상태 역학을 시사한다.

ABSTRACT

Measurements of longitudinal flow decorrelations in 13 TeV $pp$ and 5.44 TeV Xe+Xe collisions with the ATLAS detector are presented. The measurements are performed using the two-particle correlation method, combining charged-particle tracks within $|\eta| < 2.5$ with either calorimeter energy clusters or towers within $4.0<|\eta|<4.9$. A template-based subtraction procedure is used to remove non-flow effects in both the $pp$ and the Xe+Xe analyses. The dependence of the longitudinal flow decorrelations on the pseudorapidity separation between the particles is characterized via the slope parameter $F_n$ for the elliptic ($n=2$) and triangular ($n=3$) harmonic moments. The results are reported as a function of charged-particle multiplicity for the $pp$ and Xe+Xe collision systems. Comparing the data to a color string-based model of the initial geometry indicates that in $pp$ and peripheral Xe+Xe collisions, sub-nucleonic structure and fluctuations in longitudinal energy deposition are needed to describe the data.

연구 동기 및 목표

• 초기 상태 기하학과 비평형 역학을 탐색하기 위한 pp 및 Xe+Xe 충돌에서의 종방향 유동 상관관계를 조사하기 위해.
• 저다중도 시스템에서 유동성과 유사한 상관관계 신호를 유도할 수 있는 제트 및 붕괴와 같은 비유동성 상관관계의 도전 과제를 해결하기 위해.
• 초기 기하학을 기반으로 한 색 끈 모델이 pp 및 Xe+Xe 충돌에서 관측된 상관관계 패턴을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 큰 핵보다 작은 시스템으로 종방향 상관관계 측정을 확장하여 아원자구조 자유도의 역할을 탐색하기 위해.
• 다양한 의사속도도 영역에서의 이차 입자 상관 분석에 적용 가능한 템플릿 기반 비유동성 보정 방법을 제공하기 위해.

제안 방법

• 충돌에서의 이차 입자 상관(2PC) 방법을 사용하여, |η| < 2.5 범위의 도전 입자 트랙과 4.0 < |η| < 4.9 범위의 전방 칼로리미터 에너지 침착을 상관시킨다.
• 단순한 유동성과 무관한 짧은 거리 상관관계 기여를 제거하기 위해 템플릿 기반 비유동성 보정(NFS) 절차를 적용한다.
• 의사속도도 간격 Δ𝜂에 따라 타원형(n=2) 및 삼각형형(n=3) 조화 모멘트의 기울기 파라미터 𝐹𝑛을 측정한다.
• 다양한 도전 입자 다중도 범위에서 데이터를 분석하여 시스템 크기와 초기 상태 기하학의 변화에 따른 상관관계의 진화를 탐색한다.
• 관측된 상관관계 패턴을 설명하기 위해 색 끈 기반의 초기 기하학 모델과 결과를 비교한다.
• ATLAS 검출기의 전체 의사속도도 커버리지(내부 트래커 데이터와 전방 칼로리미터 타워 및 토폴로지 클러스터(단지 pp에서만))를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pp 및 Xe+Xe 충돌에서의 종방향 유동 상관관계는 보조적 불변 유체역학 예측과 얼마나 다를까?
• RQ2 비유동성 효과는 저다중도 시스템에서 종방향 상관관계 측정을 어떻게 왜곡하는가? 그리고 이는 얼마나 효과적으로 보정될 수 있는가?
• RQ3 초기 기하학을 기반으로 한 색 끈 모델이 pp 및 Xe+Xe 충돌에서 관측된 Δ𝜂 의존성 상관관계 패턴을 재현할 수 있는가?
• RQ4 아원자구조와 종방향 에너지 침착 변동성은 데이터를 설명하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 다중도에 따라 pp 및 Xe+Xe 시스템에서 상관관계 기울기 파라미터 𝐹𝑛는 어떻게 변화하는가? 이는 초기 상태 역학에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• pp 및 외곽성 Xe+Xe 충돌에서 종방향 유동 상관관계는 의사속도도 간격에 따라 상당한 의존성을 보이며, 이는 기울기 파라미터 𝐹𝑛로 정량화된다.
• n=2 및 n=3 조화 모멘트 모두에서 측정된 𝐹𝑛 값은 도전 입자 다중도가 증가할수록 증가하며, 더 높은 다중도에서 더 강한 상관관계가 있음을 시사한다.
• 에너지 침착의 종방향 변동성을 포함한 색 끈 기반 모델은 pp 및 Xe+Xe 시스템 양쪽에서 데이터를 성공적으로 기술한다.
• 아원자구조와 종방향 변동성을 제외한 모델은 데이터를 재현하지 못하며, 이는 일관된 기술을 위해 이 요소들이 반드시 필요함을 시사한다.
• 템플릿 방법을 통한 비유동성 보정은 허위 상관관계를 효과적으로 억제하여, 유체역학적 유사 상관관계 신호를 깔끔하게 추출할 수 있게 한다.
• 결과적으로, 작은 시스템에서의 초기 상태 역학은 표준 유체역학으로는 완전히 기술되지 않으며, 아원자구조 및 종방향 변동성을 포함해야 한다.