[논문 리뷰] Probing the interaction of semi-hard quarks and gluons with the underlying event in light- and heavy-flavor triggered proton-proton collisions

Róbert Vértesi, G. Bencédi외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 14.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 34인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 경 flavor(파이온) 또는 중량 flavor(B-메손) 입자에 의해 촉발된 경우, 기본 이벤트(UE)가 어떻게 다를지 파악하기 위해 PYTHIA 8 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다. 중간 운동량 영역(2 < pT < 8 GeV/c)에서, 파이온 촉발 이벤트는 주로 글루온이 시작하는 제트에 의해 지배되며, B-메손 촉발 이벤트보다 더 강한 색 재결합 효과와 더 높은 UE 활동도를 보인다. 이는 쿼크가 시작하는 제트에 비해 글루온이 시작하는 제트에서 UE 발달이 더 두드러짐을 시사한다. 이러한 맛에 따라 달라지는 UE 반응은 초기 입자의 색 전하와 UE 발달 간의 직접적인 연관성을 드러낸다.

ABSTRACT

We study underlying-event observables in inelastic proton-proton (pp) collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV with identified light and heavy-flavor triggers using the PYTHIA 8 event generator. The study is performed as a function of the transverse momentum of the leading particle ($p_\mathrm{T}^{ m trigger}$). While at high $p_\mathrm{T}^{ m trigger}$ ($>10$ GeV/$c$) the underlying-event activity is independent of the leading particle species, at intermediate $p_\mathrm{T}^{ m trigger}$ ($2<p_\mathrm{T}^{ m trigger}<8$ GeV/$c$) it is larger in pion-triggered events than in events triggered with B mesons. Moreover, the underlying event in pion-triggered events, the majority of which are initiated by gluons, shows a stronger effect of color reconnection than events triggered with B-hadrons, that are mostly initiated by quark jets. The effect is observed at both hadronic and partonic level. Given that color reconnection affects the interaction among final partons before the hadronization, and that in the string model quarks (gluons) are connected to one (two) string piece(s), we conclude that the observed effect can be attributed to differences in the interactions of gluon and quark jets with the underlying event.

연구 동기 및 목표

• 경질의 충돌에서 하드 산란 과정의 주요 입자의 맛에 따라 기본 이벤트(UE)가 어떻게 달라지는지 조사하는 것.
• 초기 입자의 신분(쿼크 대 글루온)이 색 재결합 효과를 통해 UE 활동도에 영향을 미치는지 탐색하는 것.
• 경질 및 중량질 촉발을 실험적 탐사수단으로 사용하여 쿼크-및 글루온-시작 제트의 UE 상호작용을 구별할 수 있는지 평가하는 것.
• 고다수의 pp 이벤트에서 진공 QCD 과정과 유사 집단 행동 간의 연결 고리 이해를 위한 현상학적 기초를 제공하는 것.

제안 방법

• √s = 13 TeV에서 1억 개의 pp 충돌을 시뮬레이션하기 위해 PYTHIA 8.240와 Monash 2013 테이닝을 사용하였다.
• 이벤트는 확인된 충전된 π±, D-메손, 또는 B-메손으로 촉발되었으며, 촉발 조건은 pT > 0.5 GeV/c를 요구하였다.
• 기본 이벤트는 입자 밀도와 합산 가로 운동량(ΣpT) 관측량을 사용하여 가로 영역(π/3 < |Δϕ| < 2π/3)에서 분석되었다.
• 색 재결합(CR)은 다양한 재결합 범위(RR = 0, 1.8, 10)를 사용하여 체계적으로 변조되어 UE 관측량에 미치는 영향을 평가하였다.
• 다중 파arton 상호작용 수(⟨NMPI⟩)는 촉발 pT에 따라 함수로서 계산되어 CR 효과를 탐색하였다.
• 결과는 양성자 입자에 대한 ALICE 실험 데이터와 비교되어 시뮬레이션 프레임워크의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 경질 및 중량질 촉발 이벤트 간 기본 이벤트 활동도는 어떻게 다를까?
• RQ2 초기 입자의 맛(쿼크 대 글루온)이 기본 이벤트에서 색 재결합 효과의 강도에 영향을 미치는가?
• RQ3 관측된 UE 반응은 주요 입자의 가로 운동량에 민감한가? 만약 그렇다면, 맛에 따른 차이가 가장 두드러지는 pT 범위는 어디인가?
• RQ4 파이온-와 B-메손 촉발 이벤트 간 UE 활동도의 차이는 초기 입자의 색 전하에 기인하는가?
• RQ5 색 재결합은 하드 산란 과정과 기본 이벤트 간의 연결 고리를 얼마나 강하게 매개하는가?

주요 결과

• 중간 촉발 pT 영역(2 < pT < 8 GeV/c)에서, 파이온 촉발 이벤트는 B-메손 촉발 이벤트보다 더 높은 기본 이벤트 활동도를 보이며, 이는 글루온이 시작하는 제트에서 더 강한 UE 영향을 받음을 시사한다.
• pT ≈ 4 GeV/c에서 관측된 다중 파arton 상호작용 수(⟨NMPI⟩)의 증가 현상은 파이온 촉발 이벤트에만 국한되어 있으며, B-메손 촉발 이벤트에서는 관찰되지 않아 맛에 따라 다른 색 재결합 효과가 있음을 시사한다.
• pT ≈ 4 GeV/c에서 관측된 ⟨NMPI⟩의 '봉우리' 구조는 주로 글루온이 시작하는 제트에 기인하며, 파이온은 주로 글루온 붕괴에서 생성되기 때문이다.
• B-메손은 쿼크가 시작하는 제트의 양호한 대체 측정 수단이 되며, 그 UE 활동도는 연구된 pT 범위 전반에서 상대적으로 평탄하고 색 재결합 강도에 영향을 받지 않는다.
• 시뮬레이션 결과는 양성자 입자에 대한 ALICE 실험 데이터와 양호한 일치를 보이며, UE 관측량에 대한 모델의 예측 능력을 검증한다.
• 결과는 색 재결합이 UE에 상당한 영향을 미치며, 이 영향은 쿼크가 시작하는 제트보다 글루온이 시작하는 제트에서 더 강하다는 것을 확인하여, 입자 맛과 UE 발달 간의 연관성을 뒷받침한다.