[논문 리뷰] Emergence of Long-Range Angular Correlations in Low-Multiplicity Proton-Proton Collisions

S. Acharya, D. Adamová외 1062명|arXiv (Cornell University)|2023. 11. 24.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 47인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 LHC의 ALICE 실험 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서 저다중도 프로톤-프로톤 충돌에서 장거리 각도 상관관계(리지 수확량)를 측정하며, ⟨Nch⟩ ≲ 24까지 높은 정밀도를 확보한다. pp 충돌에서 관측된 리지 수확량은 초기 상태 효과가 없는 √s = 91 GeV 및 183–209 GeV에서의 e+e− 충돌 결과보다 유의미하게 높게 나타나, 초기 상태 역학만으로는 관측된 상관관계를 설명할 수 없으며, 소형 시스템에서 최종 상태의 집합성(collectivity)이 작용하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

This Letter presents the measurement of near-side associated per-trigger yields, denoted ridge yields, from the analysis of angular correlations of charged hadrons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV. Long-range ridge yields are extracted for pairs of charged particles with a pseudorapidity difference of 1.4 < |Δη| < 1.8 and a transverse momentum of 1 < p$_T$ < 2 GeV/c, as a function of the charged-particle multiplicity measured at midrapidity. This Letter extends the measurements of the ridge yield to the low multiplicity region, where in hadronic collisions it is typically conjectured that a strongly interacting medium is unlikely to be formed. The precision of the new low multiplicity results allows for the first direct quantitative comparison with the results obtained in e$^+$e$^-$ collisions at $\sqrt{s}$ = 91 GeV and $\sqrt{s}$ = 183–209 GeV, where initial-state effects such as preequilibrium dynamics and collision geometry are not expected to play a role. In the multiplicity range 8 ≲ ⟨N$_{ch}$⟩ ≲ 24 where the e$^+$e$^-$ results have good precision, the measured ridge yields in pp collisions are substantially larger than the limits set in e$^+$e$^-$ annihilations. Consequently, the findings presented in this Letter suggest that the processes involved in e$^+$e$^-$ annihilations do not contribute significantly to the emergence of long-range correlations in pp collisions.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 저다중도 pp 충돌에서 장거리 각도 상관관계(리지 수확량)를 고정밀도로 측정하는 것.
• 초기 상태 효과(예: 평형 이전 역학 또는 빔 잔여물 기여 등)가 관측된 pp 충돌에서 리지 구조를 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• 초기 상태 효과가 설계상 존재하지 않는 e+e− 충돌과의 직접적인 정량적 비교를 가능하게 하는 것.
• 소형 강입자 시스템에서 집합성의 발생에 있어 초깃태 역학의 역할을 제약하는 것.
• 열적 평형 상태의 양성자-구성입자 플라즈마가 존재하지 않는 상황에서도 최종 상태 상호작용 및 유사 매질 효과가 저다중도 pp 충돌에서 리지 형성에 기여하는지 평가하는 것.

제안 방법

• LHC의 ALICE 실험에서 확보한 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 충전입자 간의 각도 상관관계를 분석한다.
• V0 검출기로 최소한의 사건 트리거를 사용하여 저다중도 충돌(⟨Nch⟩ ≲ 24)를 선별한다.
• 1.4 < |Δη| < 1.8 및 1 < pT < 2 GeV/c 조건을 만족하는 입자 쌍에 대해 근접 측면 리지 수확량을 측정하며, 트리거 입자당 정규화한다.
• 2017–2018년 동안 확보한 약 1.3×10⁹개의 최소한의 사건 pp 충돌 고통계 데이터 샘플을 사용한다.
• 초기 상태 효과가 무시할 수 없는 e+e− 충돌 데이터(√s = 91 GeV 및 183–209 GeV)의 압축된 ALEPH 데이터와 결과를 직접 비교한다.
• 모델 의존성 평가를 위해 PYTHIA 8.3 및 EPOS LHC 이벤트 생성기 시뮬레이션과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pp 충돌에서의 초기 상태 효과만으로 저다중도에서 관측된 장거리 리지 상관관계를 설명할 수 있는가?
• RQ2 초기 상태 역학이 없는 e+e− 충돌과 비교할 때, 저다중도 pp 충돌의 리지 수확량은 어떻게 정량적으로 비교되는가?
• RQ3 최종 상태 상호작용 또는 유사 매질 효과가 소형 시스템에서 리지 형성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 관측된 pp 충돌의 리지 수확량은 PYTHIA 8.3과 같은 표준 몬테카를로 시뮬레이터 예측과 일치하는가?
• RQ5 열적 평형 상태의 양성자-구성입자 플라즈마가 존재하지 않는 상황에서 저다중도 pp 충돌에서 집합성 역학의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• √s = 13 TeV에서 측정된 pp 충돌의 리지 수확량은 ⟨Nch⟩ ≲ 24 범위에서 동일한 다중도 범위에서 √s = 91 GeV 및 183–209 GeV에서의 e+e− 충돌에 대해 설정된 상한선보다 유의미하게 크다.
• 이 정량적 이질성은 평형 이전 역학이나 빔 잔여물과 같은 초기 상태 효과가 pp 충돌에서 관측된 리지 구조를 설명할 수 없음을 시사한다.
• 리지가 관측되지 않는 e+e− 결합 과정이 pp 충돌에서 리지 형성에 크게 기여하지는 않음을 배제한다.
• 저다중도에서도 pp 충돌의 리지 수확량이 유의미하게 유지되며, 이는 최종 상태 집합성 또는 유사 매질 효과가 작용하고 있음을 시사한다.
• 데이터는 PYTHIA 8.3 예측에서 명백한 이탈을 보이며, 이는 모델이 저다중도 pp 충돌에서 장거리 상관관계를 과소평가하고 있음을 시사한다.
• EPOS LHC 모델은 PYTHIA 8.3보다 데이터를 더 잘 기술하며, 이는 소형 시스템에서 매질 유도 효과의 중요성을 지지한다.