[论文解读] Charged-hadron production in $pp$, $p$+Pb, Pb+Pb, and Xe+Xe collisions at $\sqrt{s_{_ ext{NN}}}=5$ TeV with the ATLAS detector at the LHC

G. Aad, Abbott, Braden Keim+2917 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 1

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机上的ATLAS探测器，在$\sqrt{s_{\text{NN}}} = 5.02$ 和 5.44 TeV 的 $pp$、$p$+Pb、Pb+Pb 以及 Xe+Xe 碰撞中，对带电强子的产生进行了高精度测量。结果揭示了重离子碰撞中具有 $p_T$ 依赖性的抑制效应，其在 $p_T \approx 7$ GeV 处出现局部最小值，在 $p_T \approx 2$ GeV 处出现最大值；而 $R_{p\text{Pb}}$ 在 $p_T \approx 3$ GeV 处表现出中等增强，尤其在 Pb 方向更为显著。

ABSTRACT

This paper presents measurements of charged-hadron spectra obtained in $pp$, $p$+Pb, and Pb+Pb collisions at $\sqrt{s}$ or $\sqrt{s_{_ ext{NN}}}=5.02$ TeV, and in Xe+Xe collisions at $\sqrt{s_{_ ext{NN}}}=5.44$ TeV. The data recorded by the ATLAS detector at the LHC have total integrated luminosities of 25 pb${}^{-1}$, 28 nb${}^{-1}$, 0.50 nb${}^{-1}$, and 3 $\mu$b${}^{-1}$, respectively. The nuclear modification factors $R_{p ext{Pb}}$ and $R_ ext{AA}$ are obtained by comparing the spectra in heavy-ion and $pp$ collisions in a wide range of charged-particle transverse momenta and pseudorapidity. The nuclear modification factor $R_{p ext{Pb}}$ shows a moderate enhancement above unity with a maximum at $p_{\mathrm{T}} \approx 3$ GeV; the enhancement is stronger in the Pb-going direction. The nuclear modification factors in both Pb+Pb and Xe+Xe collisions feature a significant, centrality-dependent suppression. They show a similar distinct $p_{\mathrm{T}}$-dependence with a local maximum at $p_{\mathrm{T}} \approx 2$ GeV and a local minimum at $p_{\mathrm{T}} \approx 7$ GeV. This dependence is more distinguishable in more central collisions. No significant $|\eta|$-dependence is found. A comprehensive comparison with several theoretical predictions is also provided. They typically describe $R_ ext{AA}$ better in central collisions and in the $p_{\mathrm{T}}$ range from about 10 to 100 GeV.

研究动机与目标

• 本研究旨在量化不同碰撞体系中带电强子产生特性的变化，以探究夸克-胶子等离子体（QGP）的性质。
• 通过比较 $p$+Pb 与 Pb+Pb 和 Xe+Xe 体系，旨在区分初始态效应与末态介质效应。
• 目标包括测量核修饰因子 $R_{AA}$ 和 $R_{p\text{Pb}}$ 随 $p_T$、$\eta$ 和中心度的变化，以检验喷射淬火理论模型。
• 本研究将此前 ATLAS 在 $\sqrt{s_{\text{NN}}} = 2.76$ TeV 的测量扩展至更高能量，并新增了 $\sqrt{s_{\text{NN}}} = 5.44$ TeV 的 Xe+Xe 数据。
• 分析旨在为部分子能量损失与介质诱导辐射的理论模型提供全面约束。

提出的方法

• 利用 ATLAS 探测器中的事件与轨迹选择标准，在 $pp$、$p$+Pb、Pb+Pb 和 Xe+Xe 碰撞中重建带电强子谱。
• 核修饰因子 $R_{AB}$ 计算为 A+A 或 $p$+A 碰撞中测得产额与按平均核厚度函数 $\langle T_{AB}\rangle$ 缩放后的 $pp$ 截面之比。
• 中心度通过前向量能器中沉积的总能量确定，分箱基于 0–100% 的碰撞中心度范围。
• 系统误差通过变化轨迹重建效率、堆叠效应及探测器响应进行评估，并完整传播至 $R_{AA}$ 和 $R_{p\text{Pb}}$。
• Xe+Xe 的 $pp$ 参考数据通过外推较低 $\sqrt{s}$ 的 $pp$ 数据获得，假设截面的能量依赖性可忽略。
• 理论比较基于包含微扰 QCD 和介质效应的模型，如 HKMPSW。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\sqrt{s_{\text{NN}}} \approx 5$ TeV 下，带电强子产生特性在 $pp$、$p$+Pb、Pb+Pb 和 Xe+Xe 碰撞中的 $p_T$ 依赖性如何变化？
• RQ2 与 $p$+Pb 相比，末态介质效应在 Pb+Pb 和 Xe+Xe 碰撞中对高 $p_T$ 强子的抑制作用有何影响？
• RQ3 $R_{p\text{Pb}}$ 因子是否表现出快度不对称性？其对质子-核碰撞中初始态效应意味着什么？
• RQ4 Pb+Pb 和 Xe+Xe 碰撞中的 $R_{AA}$ 在形状与大小上如何比较，特别是在中心与外围碰撞中？
• RQ5 当前理论模型在多大程度上能描述整个 $p_T$ 范围内的测量 $R_{AA}$，尤其是在低 $p_T$ 和高 $p_T$ 区域？

主要发现

• 在 $p$+Pb 碰撞中，$R_{p\text{Pb}}$ 表现为中等增强，峰值出现在 $p_T \approx 3$ GeV，且在 Pb 方向增强更显著。
• $R_{p\text{Pb}}$ 的增强在低 $p_T$ 时最明显，且在 $p_T \approx 15$ GeV 以上逐渐减弱，且 $|\eta|$ 依赖性不显著。
• 在 Pb+Pb 和 Xe+Xe 碰撞中，$R_{AA}$ 展现出特征性的 $p_T$ 依赖性，其在 $p_T \approx 2$ GeV 处出现局部最大值，在 $p_T \approx 7$ GeV 处出现最小值。
• 抑制效应在最中心碰撞中最强，中心区间的最大值与最小值之比最高。
• $R_{AA}$ 对 $|\eta|$ 的依赖性极弱，表明抑制模式在快度方向上基本无依赖性。
• 理论模型如 HKMPSW 在中心碰撞及 $p_T$ 介于 7–100 GeV 范围内对 $R_{AA}$ 描述尚可，但在更高 $p_T$ 或外围碰撞中出现偏差，且无法描述低 $p_T$ 数据。