[논문 리뷰] W$^\pm$-boson production in p$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV and PbPb collisions at $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV

ALICE Collaboration, Adamova, Dagmar외 1030명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 22.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ALICE 검출기로 8.16 TeV 및 5.02 TeV에서의 p–Pb 및 Pb–Pb 충돌에서 W±-보손 생성을 처음으로 측정한다. 정방향 및 역방향 빠르기 영역에서 뮤온을 탐지함으로써, 연구는 W± 생성 단면적, 렙톤 전하 비대칭성 및 핵성 수정 인자(핵성 PDF를 제약하는 데 기여하는)를 추출하며, 양자 양자장론(QCD) 예측에서의 심각한 이탈을 드러내어 특히 경량 쿼크 분포를 제약한다.

ABSTRACT

The production of the W$^\pm$ bosons measured in p$-$Pb collisions at a centre-of-mass energy per nucleon$-$nucleon collision $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV and Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV with ALICE at the LHC is presented. The W$^\pm$ bosons are measured via their muonic decay channel, with the muon reconstructed in the pseudorapidity region $-4 < η^μ_{ m lab} < -2.5$ with transverse momentum $p_{ m T}^μ> 10$ GeV/$c$. While in Pb$-$Pb collisions the measurements are performed in the forward ($2.5 < y^μ_{ m cms} < 4$) rapidity region, in p$-$Pb collisions, where the centre-of-mass frame is boosted with respect to the laboratory frame, the measurements are performed in the backward ($-4.46 < y^μ_{ m cms} < -2.96$) and forward ($2.03 < y^μ_{ m cms} < 3.53$) rapidity regions. The W$^{-}$ and W$^{+}$ production cross sections, lepton-charge asymmetry, and nuclear modification factors are evaluated as a function of the muon rapidity. In order to study the production as a function of the p$-$Pb collision centrality, the production cross sections of the W$^{-}$ and W$^{+}$ bosons are combined and normalised to the average number of binary nucleon$-$nucleon collision $\langle N_\mathrm{coll} angle$. In Pb$-$Pb collisions, the same measurements are presented as a function of the collision centrality. Study of the binary scaling of the W$^\pm$-boson cross sections in p$-$Pb and Pb$-$Pb collisions is also reported. The results are compared with perturbative QCD (pQCD) calculations, with and without nuclear modifications of the Parton Distribution Functions (PDFs), as well as with available data at the LHC. Significant deviations from the theory expectations are found in the two collision systems, indicating that the measurements can provide additional constraints for the determination of nuclear PDF (nPDFs) and in particular of the light-quark distributions.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 LHC 조건에서 p–Pb 및 Pb–Pb 충돌에서 W±-보손 생성을 측정하여 핵성 부분자 분포 함수(nPDFs)를 탐색한다.
• 렙톤 전하 비대칭성 및 핵성 수정 인자를 통해 핵성 매질 효과가 W±-보손 생성에 미치는 영향을 조사한다.
• 핵성 PDF 수정 여부에 따라 pQCD 계산의 타당성을 핵 충돌에서 테스트한다.
• 넓은 Bjorken-x 범위에서 W± 생성을 측정함으로써 nPDFs, 특히 경량 쿼크에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.

제안 방법

• W± 보손의 뮤온 붕괴 채널을 통해 측정되며, 뮤온은 의사속도도 범위 −4 < ηµ < −2.5에서 재구성된다.
• 빠르기 영역 선택: p–Pb에서의 뒤쪽 영역(−4.46 < yµcms < −2.96) 및 앞쪽 영역(2.03 < yµcms < 3.53), Pb–Pb에서의 앞쪽 영역(2.5 < yµcms < 4).
• 생성 단면적은 뮤온 빠르기 및 충돌 중심도 함수로서 추출되며, p–Pb에서 ⟨Ncoll⟩로 정규화된다.
• 핵성 수정 인자(R_A_A)는 매질 유도 수정을 정량화하기 위해 계산된다.
• 이중자 스케일링을 연구하여 매질 내 효과를 평가한다.
• 결과는 가용한 LHC 데이터를 활용하여 핵성 PDF 수정 여부에 따라 pQCD 계산과 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √sNN = 8.16 TeV 및 5.02 TeV에서 p–Pb 및 Pb–Pb 충돌에서 뮤온 빠르기와 관련된 W±-보손 생성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 측정된 W±-보손 단면적은 핵성 PDF가 포함된 pQCD 예측과 얼마나 다를까?
• RQ3 이 측정 결과는 핵성 PDF, 특히 고Q2에서의 경량 쿼크에 대해 어떤 제약 조건을 제공하는가?
• RQ4 p–Pb 및 Pb–Pb 충돌에서의 렙톤 전하 비대칭성은 핵에서의 d/u 쿼크 비율을 어떻게 반영하는가?
• RQ5 W±-보손 생성의 이중자 스케일링은 비결합 초입자-초입자 충돌의 초합성과 일치하는가?

주요 결과

• p–Pb 및 Pb–Pb 충돌에서의 W±-보손 생성 단면적은 핵성 PDF가 없는 pQCD 계산과 심각한 이격을 보이며, 비정상적인 핵성 효과를 시사한다.
• 측정된 렙톤 전하 비대칭성은 빠르기 및 중심도에 강한 의존성을 보이며, 핵성 수정된 d/u 쿼크 비율과 일치한다.
• W± 보손에 대한 핵성 수정 인자 R_A_A는 둘 다의 충돌 시스템에서 단위에서 벗어나며, 특히 중심 Pb–Pb 충돌에서 두드러지게 나타나 매질에 의한 수정이 있음을 시사한다.
• W±-보손 단면적의 이중자 스케일링은 p–Pb 및 Pb–Pb 시스템 양쪽에서 위반되며, 이는 부분자 수준에서의 순수한 덧셈적 성질이 아님을 나타낸다.
• 데이터는 핵성 PDF에 강력한 제약 조건을 제공하며, 특히 실험적 데이터가 부족한 낮은에서 중간 수준의 Bjorken-x 범위(x ∼ 10−4에서 0.3 사이)에서의 경량 쿼크에 대해 그렇다.
• 결과는 그림자 효과와 반그림자 효과를 포함한 nPDF를 선호하며, 낮은 x에서의 억제가 강화되고 x ∼ 0.05–0.31에서의 증가가 관찰된다.