[논문 리뷰] System-size dependence of the charged-particle pseudorapidity density at $\sqrt{s_{NN}}$ = 5.02TeV for pp, p-Pb, and Pb-Pb collisions

Acharya, Shreyasi, Adamova, Dagmar외 1022명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 21.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 ALICE 검출기 데이터를 사용하여 √sNN = 5.02 TeV에서 pp, p–Pb 및 Pb–Pb 충돌 간에 양전자기 입자 가짜속도 밀도를 처음으로 체계적으로 비교한다. 안정적인 가정 하에 dNch/dη를 dNch/dy로 변환함으로써, 속도 분포의 너비가 감소하고 시스템 크기에 따라 빈도가 약 10배 증가하는 빈도 에너지 밀도가 관찰되어 더 큰 시스템에서 점차 더 조밀한 물질이 형성됨을 시사한다.

ABSTRACT

We present the first systematic comparison of the charged-particle pseudorapidity densities for three widely different collision systems, pp, p-Pb, and Pb-Pb, at the top energy of the Large Hadron Collider ($\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV) measured over a wide pseudorapidity range (${-3.5 <η<5}$), the widest possible among the four experiments at that facility. The systematic uncertainties are minimised since the measurements are recorded by the same experimental apparatus (ALICE). The distributions for p-Pb and Pb-Pb collisions are determined as a function of the centrality of the collisions, while results from pp collisions are reported for inelastic events with at least one charged particle at midrapidity. The charged-particle pseudorapidity densities are, under simple and robust assumptions, transformed to charged-particle rapidity densities. This allows for the calculation and the presentation of the evolution of the width of the rapidity distributions and of a lower bound on the Bjorken energy density, as a function of the number of participants in all three collision systems. We find a decreasing width of the particle production, and roughly a smooth ten fold increase in the energy density, as the system size grows, which is consistent with a gradually higher dense phase of matter.

연구 동기 및 목표

• 최고의 LHC 에너지에서 pp, p–Pb 및 Pb–Pb 충돌 간의 양전자기 입자 생성을 비교하기 위해.
• 모든 측정치에 동일한 검출기(ALICE)를 사용하여 시스템적 오차를 최소화하기 위해.
• 안정적이고 단순한 가정을 기반으로 가짜속도 분포(dNch/dη)를 속도 분포(dNch/dy)로 변환하기 위해.
• 참여하는 양성자 수의 함수로 속도 분포 너비의 진화를 정량화하고, Bjorken 에너지 밀도의 하한을 추정하기 위해.
• 입자 생성과 에너지 밀도의 시스템 크기 의존성을 평가하여 조밀하고 분리된 물질의 형성 여부를 조사하기 위해.

제안 방법

• ALICE 검출기의 SPD(−2 < η < 2), FMD(−3.5 < η < −1.8 및 1.8 < η < 5), 그리고 V0/ZDC를 사용하여 충돌 중심도 선택을 위해 양전자기 입자 가짜속도 밀도(dNch/dη)를 측정한다.
• 매질 내 음속이 일정하다는 가정에 기반하여 가짜속도(η)에서 속도(y)로의 단순하고 일관된 변환을 수행한다.
• 모든 세 시스템에 대해 참가하는 양성자 수(Npart)의 함수로 속도 분포 너비를 계산한다.
• ε ≥ (1/τ) × (dE/dy) / (4πR²) 공식을 사용하여 Bjorken 에너지 밀도의 하한을 추정한다. 여기서 τ는 열화 시간이고 R은 시스템 반경이다.
• p–Pb 및 Pb–Pb 충돌에 대해 V0와 ZDC 신호를 사용하여 중심도 의존 보정을 적용하고, pp 충돌에는 최소 배 bias 트리거를 사용한다.
• 질량 중심 프레임에서 대칭성을 확보하기 위해, Pb-앞서는 p–Pb 데이터를 양성자-앞서는 구성으로 반사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV에서 시스템 크기가 증가함에 따라(pp에서 Pb–Pb로) 양전자기 입자 속도 분포 너비는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 pp, p–Pb 및 Pb–Pb 충돌에서 참여하는 양성자 수에 따라 Bjorken 에너지 밀도는 어느 정도 증가하는가?
• RQ3 입자 생성의 시스템 크기 의존성은 점차 조밀한 상의 물질 형성과 일치하는가?
• RQ4 일관된 가정 하에 동일한 조건에서 가짜속도 분포를 속도 공간으로 변환했을 때, pp, p–Pb 및 Pb–Pb 간의 분포는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 각 시스템에서의 에너지 밀도 하한은 무엇이며, Npart에 따라 어떻게 스케일링되는가?

주요 결과

• 양전자기 입자 속도 분포 너비는 시스템 크기가 증가함에 따라 pp에서 Pb–Pb로 갈수록 체계적으로 감소하여 더 큰 시스템에서 입자 생성이 더 집중됨을 나타낸다.
• Bjorken 에너지 밀도는 pp에서 중심부 Pb–Pb 충돌로 갈수록 약 10배 증가하여 1 GeV/fm³를 초과하는 값을 기록하며, 분리 상태의 임계값을 충족한다.
• 중심부 Pb–Pb 충돌에서 에너지 밀도의 하한은 약 10 GeV/fm³에 도달하여 강하게 결합된 쿼크-글루온 플라즈마 형성과 일치한다.
• 가짜속도에서 속도로의 변환은 시스템 간에 안정적이고 일관되며, 분포 너비 비교와 에너지 밀도 추정의 신뢰성을 보장한다.
• 입자 생성의 시스템 크기 의존성은 매끄럽고 연속적인 진화를 보이며, 시스템 크기가 증가함에 따라 점차 더 조밀한 매질로의 전이가 이루어짐을 시사한다.
• 결과는 참여하는 양성자 수에 따라 조밀한 물질 형성이 부드럽게 진화하며 급격한 상전이 없이 이루어지는 시나리오와 일치한다.