[논문 리뷰] Particle rapidity distribution in proton-nucleus collisions using the proton-contributor reference frame

G. Mart́inez Garćia|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 14.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 p–A 충돌에서 입자 빠르기 분포가 핵 내의 양성자와 참여하는 양성자들 중심질량의 중심을 기준으로 대칭이 되는 프로톤 기여자 기준좌표계를 제안한다. 이러한 분포가 pp 충돌에서의 것과 동일한 형태를 가지며, 프로톤-핵자 및 프로톤 기여자 기준좌표계 사이의 빠르기 간격으로 이동된 것으로 가정함으로써, √sNN = 5.02 TeV에서의 p–Pb 충돌에서의 총입자, J/ψ, Z 보손의 빠르기 분포를 정성적으로 설명한다.

ABSTRACT

I define the proton-contributor reference frame in proton nucleus (p--A) collisions as the center of mass of the system formed by the proton and the participant nucleons of the nucleus. Assuming that the rapidity distribution of produced particles is symmetric in the proton-contributor reference frame, several measurements in p-Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02 { m TeV}$ can be described qualitatively. These include rapidity distributions of charged particles, $J/ψ$ and Z bosons.

연구 동기 및 목표

• pp 또는 AA 시스템과 달리 자연스럽게 대칭이 정의되지 않는 p–A 충돌에서 빠르기 분포에 대한 명확한 기준좌표계가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• LHC 에너지에서 p–Pb 충돌에서 관측된 총입자, J/ψ, Z 보손의 빠르기 분포에서 나타나는 비대칭성을 해결하기 위해.
• 양성자-양성자 중심질량 기준좌표계의 대안으로, 양성자와 모든 참여하는 양성자들을 포함한 프로톤 기여자 시스템을 도입함으로써.
• 단일 기준좌표계를 사용하여 p–Pb 충돌에서의 중심도 의존적 입자 수확 및 전방/후방 비율을 현상학적으로 설명하기 위해.
• 프로톤-핵자 기준좌표계와 프로톤 기여자 기준좌표계 사이의 빠르기 간격을 기반으로 새로운 실험 관측량을 제안하기 위해.

제안 방법

• Glauber 모델을 사용하여 핵 내의 모든 참여하는 양성자와 양성자의 중심질량으로서 프로톤 기여자(pC) 시스템을 정의하고, 그 질량과 운동량을 계산한다.
• 상대론적 운동학을 사용하여 실험관측자계에서 pC 시스템의 빠르기를 계산한다: y_pC = tanh⁻¹(p_pC / E_pC), 여기서 p_pC와 E_pC는 pC 시스템의 총 운동량과 총 에너지이다.
• p–A 충돌에서 생성된 입자의 빠르기 분포가 pp 충돌에서의 것과 형태가 동일하며, 프로톤-핵자 기준좌표계와 프로톤 기여자 기준좌표계 사이의 빠르기 간격 Δy_pN-pC 만큼 이동된 것으로 가정한다.
• 입자 수확을 모델링하기 위해 식 dN_probe_pA/dy(y) = N × dN_probe_pp/dy(y - Δy_pN-pC)를 사용하며, 여기서 N은 정규화 요소이다.
• 프로톤-핵자 기준좌표계의 빠르기(y_pN)와 프로톤 기여자 기준좌표계의 빠르기(y_pC)를 사용하여 Δy_pN-pC를 계산하며, 최소지배 p–Pb 충돌(⟨N_coll⟩ ≈ 6)에서 y_pC ≈ -0.430로 추정된다.
• 모델 예측을 ATLAS, ALICE, CMS에서의 실험 데이터와 비교한다: 총입자 위상속도 비율, J/ψ 억제/강화, Z 보손의 후방 대 후방 비율.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV에서 p–Pb 충돌에서 여러 입자 종류의 관측된 빠르기 분포를 한 개의 기준좌표계로 설명할 수 있는가?
• RQ2 프로톤 기여자 기준좌표계(양성자와 참여하는 양성자들의 중심질량으로 정의됨)가 프로톤-핵자 기준좌표계보다 입자 생성을 더 잘 묘사하는가?
• RQ3 왜 p–Pb 충돌에서 Z 보손의 빠르기 분포가 실험관측자계에서 y ≈ -0.430에 중심을 두는가? 이는 pC 기준좌표계에서 대칭 분포로 설명될 수 있는가?
• RQ4 프로톤-핵자 기준좌표계와 프로톤 기여자 기준좌표계 사이의 빠르기 간격 Δy_pN-pC는 p–Pb 충돌에서 관측된 Z 보손의 후방 대 후방 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 중심도 의존적 총입자 수확은 프로톤 기여자 기준좌표계에서 대칭 빠르기 분포를 가정함으로써 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 최소지배 p–Pb 충돌에서 빠르기 y_pC ≈ -0.430을 가지는 프로톤 기여자 기준좌표계는 실험관측자계에서 측정된 Z 보손 빠르기 분포의 피크와 일치한다.
• 모델은 ATLAS에서 측정한 중심도 의존적 총입자 위상속도 비율을 설명하며, 중심 영역에서의 사건에서 빠르기가 더 음성으로 이동하는 경향을 재현한다.
• ALICE 데이터에서 전방 빠르기 영역에서 J/ψ의 억제와 후방 영역에서의 강화는 프로톤 기여자 기준좌표계에서 대칭 빠르기 분포를 가정함으로써 정성적으로 재현된다.
• CMS에서 측정한 Z 보손의 후방 대 후방 비율은 표준 pp 유사 빠르기 분포를 pC 기준좌표계로 이동시킴으로써 잘 재현되며, Δy_pN-pC ≈ 0.895로 추정된다.
• y_pC ≈ -0.430에 중심을 두는 예측된 Z 보손 빠르기 분포는 실험 관측에서 y ≈ -0.430에 최대값이 있음을 보여주는 실험 결과와 일치한다.
• 모델은 새로운 핵물질 수정 인자 R^pC_pA(y) = Y_pA(y) / ⟨N_coll⟩ × Y_pp(y - Δy_pN-pC)를 제안하며, 이는 pC 기준좌표계 가설을 검증하기 위한 새로운 관측량이 될 수 있다.