[논문 리뷰] Upcgen: a Monte Carlo simulation program for dilepton pair production in ultra-peripheral collisions of heavy ions

N. Burmasov, E. Kryshen외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 13

한 줄 요약

Upcgen은 초우주적 중이온 충돌에서 이론 레프톤 쌍 생성을 위한 몬테카를로 이벤트 생성기로, 실제 핵형 요소를 사용한 개선된 광자 복사율 계산과 광자 스핀 극화 효과를 고려한다. 이는 이론적 예측과 ATLAS 데이터 간의 높은 빠르기 영역에서의 일치도를 크게 향상시키며, 타우 레프톤의 비정상 자기모멘트에 대한 향후 정밀 측정을 뒷받침한다.

ABSTRACT

Ultra-peripheral collisions (UPCs) of heavy ions can be used as a clean environment to study two-photon induced interactions such as dilepton pair photoproduction. Recently, precise data on lepton pair production in UPCs were obtained by the ATLAS experiment at the LHC where significant deviations, of up to 20%, from available theoretical predictions were observed. In this work, we present a Monte Carlo event generator, Upcgen, that implements a refined treatment of the photon flux allowing us to improve the agreement with ATLAS data at large dilepton rapidities. Besides, the new generator offers a possibility to study photon polarization effects and set arbitrary values of the lepton anomalous magnetic moment that can be used in the future studies of tau g-2 via ditau production measurements in UPCs.

연구 동기 및 목표

• 초우주적 충돌(UPCs)에서의 이론 예측과 ATLAS 실험 데이터 사이의 상당한 격리(최대 20%)를 해결한다.
• 실제 핵형 요소를 사용한 광자 복사율 계산을 개선하여 이중 광자 상호작용의 이론 모델링을 향상시킨다.
• 특히 향후 타우 레프톤의 비정상 자기모멘트 측정을 위해, 레프톤의 비정상 자기모멘트를 임의의 값으로 설정한 정확한 이론 레프톤 쌍 생성 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 특히 높은 빠르기 영역에서 이론 레프톤 단면적에 상당한 영향을 미칠 수 있는 광자 스핀 극화 효과를 통합한다.
• LHC 런 3 및 런 4에서의 고정밀 연구를 지원하기 위해 배경 추정 및 민감도 분석을 위한 융통성 있고 오픈소스 도구를 제공한다.

제안 방법

• 최종 상태 레프톤의 비정상 자기모멘트를 임의의 값으로 설정한 경우에도 적용 가능한 일반화된 정점 형식을 사용하여 기본 γγ → ℓℓ 단면적을 계산한다.
• 실제 핵형 요소(Woods-Saxon 분포)를 기반으로 한 개선된 광자 복사율 처리를 통해 이중 광자 루미노시티를 계산하며, 작은 충격 매개변수 기여도를 포함한다.
• 계산이 매우 고비용이므로 2차원 이중 광자 루미노시티 히스토GRAM을 ROOT 파일에 캐시하여 성능을 최적화한다.
• 접합 단면적에 따라 이론 레프톤 쌍 운동량(질량, 빠르기, 횡방향 운동량)을 몬테카를로 이벤트 생성을 통해 샘플링한다.
• 특히 타우 레프톤의 붕괴를 위해 Pythia8 또는 Pythia6를 사용하여 최종 상태 복사 및 붕괴를 시뮬레이션한다.
• 재현 가능한 난수 시드를 포함한 구성 가능한 입력 매개변수를 제공하여 핵종, 질량 중심 에너지, 운동량 절단 조건, 극화 효과 등을 조절할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 핵형 요소를 사용한 광자 복사율 처리를 개선함으로써, 대규모 빠르기 영역에서 Pb–Pb 초우주적 충돌에서의 이이온 생성에 대한 이론 예측과 ATLAS 데이터 간의 격리(최대 20%)를 줄일 수 있는가?
• RQ2 광자 극화 효과가 초우주적 충돌에서 이론 레프톤 쌍 생성 단면적에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 Upcgen 생성기가 비정상 자기모멘트의 임의의 값으로 이론 레프톤 쌍 생성을 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가, 특히 타우 레프톤 쌍 생성의 경우에 대해 어떻게 되는가?
• RQ4 작은 충격 매개변수 기여도(bγ < RA)를 포함함으로써, 기존의 STARlight 및 SuperChic 생성기와 비교할 때 예측된 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Upcgen은 향후 LHC 실험에서 타우 레프톤의 비정상 자기모멘트 민감도 연구를 위한 신뢰할 수 있는 도구로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• Upcgen은 대규모 빠르기 영역에서 Pb–Pb 초우주적 충돌에서의 이이온 생성에 대해 ATLAS 데이터와의 일치도를 향상시켜 이전 시뮬레이션에서 관측된 최대 20%의 격리 문제를 해결한다.
• 이전에 STARlight에서 제외되었던 작은 충격 매개변수(bγ < RA)에서의 광자 방출 기여도를 포함함으로써, 이론 레프톤 단면적에 대한 더 정확한 기술이 가능해졌다.
• 광자 극화 효과가 특히 대규모 빠르기 영역에서 미분 단면적에 비소외 가능한 영향을 미치며, 이제 이는 생성기 내부에 포함되어 있다.
• 생성기는 비정상 자기모멘트의 임의의 값으로 정밀한 디타우 쌍 생성 시뮬레이션을 가능하게 하여, 향후 타우 레프톤의 g−2 민감도 연구를 지원한다.
• 캐시된 2차원 루미노시티 히스토GRAM의 사용은 계산 효율성을 크게 향상시켜 대규모 이벤트 생성에 높은 통계 정밀도로 수행할 수 있도록 한다.