[논문 리뷰] Production of pions, kaons, and protons as a function of the relative transverse activity classifier in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Acharya, Shreyasi, Adamova, Dagmar외 1044명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서, Underlying Event (UE) 활동을 측정하는 상대적 횡방향 활동 분류기(RT)에 따라 특정 입자(π, K, p)의 횡방향 운동량 스펙트럼을 측정한다. 고pT 입자 수확량은 UE 지배로 인해 향상 및 반대 영역에서 RT 증가에 따라 감소하는 반면, 횡방향 영역에서는 질량 순서에 따라 스펙트럼 경화가 관찰되며, 무거운 입자일수록 더 강한 경화 효과를 보인다. 이는 RT가 UE 영향을 분리하고 고다중도 사건에서 제트-분해역학을 탐구하는 데 효과적인 도구임을 검증한다.

ABSTRACT

The production of $π^\pm$, ${ m K}^\pm$, and $(\overline{ m p})$p is measured in pp collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV in different topological regions. Particle transverse momentum ($p_{ m T}$) spectra are measured in the ``toward'', ``transverse'', and ``away'' angular regions defined with respect to the direction of the leading particle in the event. While the toward and away regions contain the fragmentation products of the near-side and away-side jets, respectively, the transverse region is dominated by particles from the Underlying Event (UE). The relative transverse activity classifier, $R_{ m T}=N_{ m T}/\langle N_{ m T} angle$, is used to group events according to their UE activity, where $N_{ m T}$ is the measured charged-particle multiplicity per event in the transverse region and $\langle N_{ m T} angle$ is the mean value over all the analysed events. The first measurements of identified particle $p_{ m T}$ spectra as a function of $R_{ m T}$ in the three topological regions are reported. The yield of high transverse momentum particles relative to the $R_{ m T}$-integrated measurement decreases with increasing $R_{ m T}$ in both the toward and away regions, indicating that the softer UE dominates particle production as $R_{ m T}$ increases and validating that $R_{ m T}$ can be used to control the magnitude of the UE. Conversely, the spectral shapes in the transverse region harden significantly with increasing $R_{ m T}$. This hardening follows a mass ordering, being more significant for heavier particles. The $p_{ m T}$-differential particle ratios $({ m p+\overline{p}})/(π^+ +π^-)$ and $({ m K^+ +K^-})/(π^+ +π^-)$ in the low UE limit $(R_{ m T} ightarrow 0)$ approach expectations from Monte Carlo generators such as PYTHIA 8 with Monash 2013 tune and EPOS LHC, where the jet-fragmentation models have been tuned to reproduce ${ m e^+ e^-}$ results.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 입자 생성이 Underlying Event (UE) 활동에 어떻게 의존하는지 조사하기 위해.
• 상대적 횡방향 활동 분류기(RT = NT/⟨NT⟩)를 사용하여 UE 기여도가 다른 이벤트를 분리하기 위해.
• 다중 파르톤 상호작용(MPIs)과 초기/최종 상태 방사선의 입자 생성에서의 역할을 UE 지배 영역을 분리함으로써 탐색하기 위해.
• e+e− 데이터에 맞춘 제트-분해역학 모델(PYTHIA 8 Monash 2013, EPOS LHC 등)이 pp 충돌에서의 저UE 입자 비율을 잘 묘사하는지 테스트하기 위해.
• 소형 시스템에서 관찰되는 반경운동 유사 효과가 집단적 행동이 아닌 제트 경화에 기인하는지 검토하기 위해.

제안 방법

• 이벤트의 기하학적 구조는 주로 입자 운동량 방향을 기준으로 세 영역으로 나뉜다: 향상 영역(|Δϕ| < 60°), 횡방향 영역(60° ≤ |Δϕ| < 120°), 반대 영역(|Δϕ| ≥ 120°).
• 상대적 횡방향 활동 분류기 RT = NT/⟨NT⟩가 사용되며, 여기서 NT는 횡방향 영역 내의 도핑 입자 다중도이고, ⟨NT⟩는 모든 이벤트 평균이다.
• 각 영역에서 입자 횡방향 운동량(pT) 스펙트럼을 측정하고, RT에 따라 분할하여 UE 의존성을 연구한다.
• 분석은 0.15 ≤ pT < 5 GeV/c 및 |η| < 0.8의 운동역학적 범위에서 π±, K±, (p)p를 특정 입자로 고려한다.
• 저UE 입자 비율을 비교하기 위해 몬테카를로 시뮬레이터(PYTHIA 8 Monash 2013, EPOS LHC)를 기준으로 사용한다.
• 최종 스펙트럼에 보정하기 위해 추적 효율, 입자 식별, RT 해상도 등 체계적 불확실성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향상 및 반대 영역에서 고pT 입자 수확량은 UE 활동(RT) 증가에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 UE 지배 영역인 횡방향 영역에서의 스펙트럼 형태는 RT 증가에 따라 어떻게 변화하며, 질량 순서가 나타나는가?
• RQ3 저UE 한계(RT → 0)에서 (p+p)/(π++π−) 및 (K++K−)/(π++π−) 비율은 e+e− 데이터에 맞춘 제트-분해역학 모델 예측과 얼마나 일치하는가?
• RQ4 RT는 pp 충돌에서 UE 기여도를 효과적으로 분리하고 제어하는 데 신뢰할 수 있는 대체 변수로 사용될 수 있는가?
• RQ5 관찰된 경향은 소형 시스템에서 반경운동 유사 효과가 집단적 행동이 아닌 제트 경화에 의해 유도된다는 것을 시사하는가?

주요 결과

• 향상 및 반대 영역에서 고pT 입자 수확량은 RT 증가에 따라 감소하며, 이는 높은 UE 활동에서 더 연약한 UE가 입자 생성을 지배함을 시사한다.
• 횡방향 영역에서는 RT 증가에 따라 스펙트럼 형태가 뚜렷하게 경화되며, 이 경화 효과는 무거운 입자(파이온 < 카이온 < 프로톤)에서 더 두드러지게 나타나, 질량에 따라 다른 UE 반응을 나타낸다.
• 저UE 한계(RT → 0)에서 pT 미분 비율 (p+p)/(π++π−) 및 (K++K−)/(π++π−)는 PYTHIA 8 Monash 2013 테이닝 및 EPOS LHC 예측과 양호하게 일치하며, 이는 이 영역에서 제트-분해역학 모델의 타당성을 뒷받침한다.
• RT 증가에 따른 횡방향 영역에서의 관측된 경화 현상은 UE 활동 증가에 따라 부드러운 MPI 지배에서 더 딱딱한 방사선 기여로의 이동과 일관된다.
• pT 스펙트럼의 RT 의존성은 RT가 다양한 UE 기여도를 가진 이벤트를 효과적으로 분리함을 확인하며, UE 연구에서의 제어 변수로서의 유효성을 검증한다.
• 결과는 다중도 증가에 따른 제트 경화가 반경운동 유사 효과를 모방할 수 있으며, 이는 소형 시스템에서의 집단적 행동 유사 현상에 대한 가능한 대체 해석을 제공한다.