[论文解读] Exclusive dielectron production in ultraperipheral Pb+Pb collisions at $ \sqrt{s_{ extrm{NN}}} $ = 5.02 TeV with ATLAS

G. Aad, Abbott, Braden Keim+2957 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用 3

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在√sNN = 5.02 TeV的超外围Pb+Pb碰撞中，基于1.72 nb⁻¹的数据，对γγ→e⁺e⁻过程中的单独双电子产生进行了高精度测量。总微分截面测量结果为215 ± 1(统计)⁺²³₋₂₀(系统) ± 4(亮度) μb，与QED理论预测（Starlight和SuperChic模型）吻合良好；然而，微分分布显示在高|yₑₑ|和|cos θ*|区域存在系统性偏差，揭示了光子通量建模及核效应的潜在问题。

ABSTRACT

Exclusive production of dielectron pairs, $\gamma\gamma ightarrow e^+e^-$, is studied using $\mathcal{L}_\mathrm{int}=1.72\; \mathrm{nb^{-1}}$ of data from ultraperipheral collisions of lead nuclei at $\sqrt{s_{_{ ext{NN}}}} = 5.02$ TeV recorded by the ATLAS detector at the LHC. The process of interest proceeds via photon-photon interaction in the strong electromagnetic fields of relativistic lead nuclei. Dielectron production is measured in the fiducial region defined by following requirements: electron transverse momentum, $p_{ extrm{T}}^{e} > 2.5$ GeV, absolute electron pseudorapidity, $|\eta^{e}| < 2.5$, invariant mass of the dielectron system, $m_{ee} > 5$ GeV, and transverse momentum of the dielecton pair, $p_{ extrm{T}}^{ee} < 2$ GeV. Differential cross-sections are measured as a function of $m_{ee}$, average $p_{ extrm{T}}^{e}$, absolute rapidity of the dielectron system, $|y_{ee}|$, and scattering angle in the dielectron rest frame, $|\cos heta^*|$ in the inclusive sample, and also under the requirement of no activity in the forward direction. The total integrated fiducial cross-section is measured to be $215 \pm 1 ext{(stat.)} ^{+23}_{-20} ext{(syst.)} \pm 4 ext{(lumi.)}\; \mu$b. Within experimental uncertainties the measured integrated cross-section is in good agreement with the QED predictions from the Monte Carlo programs Starlight and SuperChic, confirming the broad features of the initial photon fluxes. The differential cross-sections show systematic differences with these predictions which are more pronounced at high $|y_{ee}|$ and $|\cos heta^*|$ values.

研究动机与目标

• 在√sNN = 5.02 TeV的超外围Pb+Pb碰撞中测量单个双电子产生过程，以探究光子通量与QED动力学特性。
• 利用ATLAS探测器获得的高精度数据，检验QED对γγ→e⁺e⁻过程的预测有效性。
• 通过前向活动探测研究核破裂及额外光子交换的影响。
• 为未来稀有过程（如γγ→τ⁺τ⁻和光-光散射）的测量提供基准参考。

提出的方法

• 使用2018年ATLAS探测器采集的1.72 nb⁻¹ Pb+Pb碰撞数据，√sNN = 5.02 TeV。
• 信号选择应用了微分区域切割条件：peT > 2.5 GeV，|ηe| < 2.5，mee > 5 GeV，peₑT < 2 GeV。
• 通过详细的蒙特卡罗模拟对探测器效应进行修正，以考虑效率、能量分辨率和重建影响。
• 利用控制区域和模拟估算并减去电子误判及非单个过程的背景贡献。
• 在包含和前向活动标记的样本中，分别测量了mee、平均peT、|yₑₑ|和|cos θ*|的微分截面。
• 通过改变选择标准、探测器建模和亮度标定，评估系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√sNN = 5.02 TeV下，单个γγ→e⁺e⁻产生过程的总微分截面与QED理论预测相比如何？
• RQ2 mee、|yₑₑ|和|cos θ*|的微分分布与Starlight和SuperChic模型的预测在多大程度上一致？
• RQ3 是否存在可测量的偏离QED预测的偏差，可能暗示新物理或额外光子交换等核效应？
• RQ4 通过前向中子活动标记（指示核破裂）对观测到的双电子运动学有何影响？
• RQ5 初始态光子通量建模在解释观测到的运动学分布中起什么作用？

主要发现

• 单个双电子产生过程的总微分截面测量结果为215 ± 1(统计)⁺²³₋₂₀(系统) ± 4(亮度) μb。
• 测量得到的总截面与Starlight和SuperChic的QED预测高度一致，证实了光子通量模型的基本特征。
• 微分截面显示出与预测的系统性偏差，尤其在高|yₑₑ|和|cos θ*|区域更为显著。
• 观测到的偏差表明当前光子通量建模可能存在局限性，或外围碰撞中存在额外光子交换效应。
• 前向活动标记样本的产额降低，与核破裂抑制单个事件的结论一致。
• 结果为γγ→e⁺e⁻过程提供了精确基准，支持其作为γγ→τ⁺τ⁻和光-光散射等稀有过程参考的适用性。