[논문 리뷰] Two-particle azimuthal correlations in $\gamma$p interactions using pPb collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 8.16 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LHC의 CMS 검출기에서 확보한 68.8 nb⁻¹의 초고속 외부 충돌 데이터를 이용해 √sNN = 8.16 TeV에서의 pPb 충돌에서 γp 상호작용의 이차원 각도 상관관계에서 최초로 푸리에 계수(Vn∆)를 측정한다. 결과적으로 γp 사건에서 V2∆ > 0 이며 V1∆ < 0 이며, 최소배경 pPb 충돌보다 V2∆가 더 크며, 집합 효과를 포함하지 않는 모델과 일치하여 γp 시스템에서 장거리 집합성의 증거가 없음을 시사한다.

ABSTRACT

The first measurements of the Fourier coefficients ($V_{n\Delta}$) of the azimuthal distributions of charged hadrons emitted from photon-proton ($\gamma$p) interactions are presented. The data are extracted from 68.8 nb$^{-1}$ of ultra-peripheral proton-lead (pPb) collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 8.16 TeV using the CMS detector. The high energy lead ions produce a flux of photons that can interact with the oncoming proton. This $\gamma$p system provides a set of unique initial conditions with multiplicity lower than in photon-lead collisions but comparable to recent electron-positron and electron-proton data. The $V_{n\Delta}$ coefficients are presented in ranges of event multiplicity and transverse momentum ($p_\mathrm{T}$) and are compared to corresponding hadronic minimum bias pPb results. For a given multiplicity range, the mean $p_\mathrm{T}$ of charged particles is smaller in $\gamma$p than in pPb collisions. For both the $\gamma$p and pPb samples, $V_{1\Delta}$ is negative, $V_{2\Delta}$ is positive, and $V_{3\Delta}$ consistent with 0. For each multiplicity and $p_\mathrm{T}$ range, $V_{2\Delta}$ is larger for $\gamma$p events. The $\gamma$p data are consistent with model predictions that have no collective effects thus suggesting the absence of collectivity in the $\gamma$p system over the multiplicity range explored in this work.

연구 동기 및 목표

• √sNN = 8.16 TeV에서 초고속 외부 pPb 충돌의 γp 상호작용에서 이차원 각도 상관관계의 푸리에 계수(Vn∆)를 측정하기 위해.
• 작은 시스템에서의 집합성 탐색을 위해 γp 상관 패턴을 최소배경 pPb 충돌과 비교하기 위해.
• γp 시스템이 고다중도 pp 및 pPb 충돌에서 관찰된 것과 유사한 장거리 상관 또는 릿지 유사 구조를 보이는지 테스트하기 위해.
• 집합 효과를 포함하지 않는 모델과 데이터의 일관성을 평가하기 위해.

제안 방법

• LHC에서 √sNN = 8.16 TeV에서 68.8 nb⁻¹의 초고속 외부 pPb 충돌 데이터를 CMS 검출기로 수집하였다.
• 입자 흐름 알고리즘을 사용하여 캐리드 하드론을 재구성하고, 두 입자 상관 함수를 통해 각도 상관관계를 계산하였다.
• 푸리에 계수 Vn∆는 Vn∆ = ⟨cos(n(Δϕ))⟩로 추출되었으며, 여기서 Δϕ는 입자 쌍 간의 상대적 각도이다.
• 이벤트 다중도 및 횡방향 운동량(pT) 범위를 사용하여 γp 및 최소배경 pPb 샘플 간 비교를 위한 데이터 분할을 수행하였다.
• 분석 결과는 PYTHIA v8.2 및 HIJING v2.1 시뮬레이션과 비교되었으며, 검출기 효과를 위해 전체 GEANT4 및 Delphes v3.4.2 시뮬레이션을 사용하였다.
• γp 시스템은 후방 칼로리미터(HF 및 ZDC)를 통해 고에너지 광자를 포함한 준진실 광자 복사장으로부터 식별되었으며, 초고속 외부 충돌에서 발생한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고속 외부 pPb 충돌에서의 γp 상호작용은 고다중도 pp 및 pPb 시스템에서 관찰된 것과 유사한 장거리 각도 상관관계를 보이는가?
• RQ2 다양한 다중도 및 pT 범위에서 γp 사건의 푸리에 계수 V1∆, V2∆, V3∆는 최소배경 pPb 충돌과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 유체역학 모델이 제안하는 바와 같이 γp 시스템에서 타원류 또는 삼각형류 흐름과 같은 집합 행동의 증거가 있는가?
• RQ4 데이터는 집합 효과를 포함하지 않는 모델과 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• V1∆는 γp 및 최소배경 pPb 사건 모두에서 음수이며, 입자들이 반대 반구에서 방출되는 경향이 있음을 나타낸다.
• V2∆는 γp 및 pPb 사건 모두에서 양수이며, 이는 비대칭적 방출을 나타내지만, 동일한 다중도 및 pT 범위에서 γp 사건에서 더 크다.
• V3∆는 γp 및 pPb 시스템 모두에서 0에 가깝게 유지되며, 유의미한 삼각형류 흐름이 없음을 나타낸다.
• 동일한 다중도 범위에서 γp 사건의 평균 횡방향 운동량(pT)은 최소배경 pPb 사건보다 낮다.
• γp 데이터는 집합 효과를 포함하지 않는 모델 예측과 일치하며, 구-글루온 플라즈마 또는 유체역학적 행동의 증거가 없음을 시사한다.
• γp 충돌에서 장거리 가까운 측 릿지 구조는 관찰되지 않으며, 이는 이 시스템에서 강한 집합성이 없는 것과 일치한다.