[論文レビュー] Measurement of muon pairs produced via $γγ$ scattering in non-ultraperipheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{_\mathrm{NN}}} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2935 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、2015年および2018年のATLASデータ1.94 nb⁻¹を用いて、√sNN = 5.02 TeVの非超外的Pb+Pb衝突におけるγγ散乱によるジムーオン生成を測定した。中心性に依存する非同一平面角およびk⊥分布の広がりが確認され、より高い精度で中央衝突において小非同一平面角およびk⊥で欠損が観測された。一方、速さの差分やイベント平面の向きに対する有意な依存性は認められず、広がりの主因として磁場効果を排除した。

ABSTRACT

Results of a measurement of dimuon photoproduction in non-ultraperipheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{_\mathrm{NN}}} = 5.02$ TeV are presented. The measurement uses ATLAS data from the 2015 and 2018 Pb+Pb data-taking periods at the LHC with an integrated luminosity of $1.94~\mathrm{nb}^{-1}$. The $γγ ightarrow μ^+μ^-$ pairs are identified via selections on pair momentum asymmetry and acoplanarity. Differential cross-sections for dimuon production are measured in different centrality, average muon momentum and pair rapidity intervals as functions of acoplanarity and $k_\perp$, the transverse momentum kick of one muon relative to the other. Measurements are also made as a function of the rapidity separation of the muons and the angle of the muon pair relative to the second-order event plane to test whether magnetic fields generated in the quark-gluon plasma affect the measured muons. A prior observation of a centrality-dependent broadening of the acoplanarity distribution is confirmed. Furthermore, the improved precision of the measurement reveals a depletion in the number of pairs having small acoplanarity or $k_{\perp}$ values in more central collisions. The acoplanarity distributions in a given centrality interval are observed to vary with the mean-$p_{\mathrm{T}}$ of the muons in the pair, but the $k_{\perp}$ distributions do not. Comparisons with recent theoretical predictions are made. The predicted trends associated with effects of magnetic fields on the dimuons are not observed.

研究の動機と目的

• √sNN = 5.02 TeVにおける非超外的Pb+Pb衝突におけるγγ散乱によるジムーオン生成を測定すること。
• クォーク-グルーオンプラズマで生成される磁場が、ミューオン対の運動量に影響を与えるかどうかを調査すること。
• プラズマ内での電磁的相互作用による非同一平面角および横運動量不均衡の理論的予測をテストすること。
• 中心性、平均pT、速さの差分、イベント平面の向きに依存する測定により、初期状態効果と最終状態相互作用を区別すること。

提案手法

• ペアの運動量非対称性および非同一平面角の選択を用いて、γγ→μ⁺μ⁻ペアを特定する。
• 非同一平面角（α）、横運動量キック（k⊥）、中心性、ミューオンの平均pT、ペアの速さを関数として微分断面積を測定する。
• k⊥分布を速さの差分|Δy|および2次イベント平面からの角度|2Δϕ|の関数として分析し、磁場効果を調査する。
• データをQED計算と光子Wigner関数に基づくモデルと比較し、初期状態効果と最終状態効果を評価する。
• 統計的精度を向上させるために、改善されたトリガおよび再構成技術を適用する。
• 核のPDFを用いたSTARlightモデルを用いて背景を差し引くことで、γγ誘導のジムーオン生成を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クォーク-グルーオンプラズマ内での最終状態電磁散乱と整合する、中心性に依存するμ⁺μ⁻ペアの非同一平面角分布の広がりが観測されるか？
• RQ2 磁場効果によって予測されるように、ミューオン間の速さ差分|Δy|に応じてk⊥または非同一平面角に顕著な依存性が見られるか？
• RQ3 2次イベント平面（衝突パrameterおよび磁場方向の代理）に対するミューオンペアの向きが、k⊥分布に影響を与えるか？
• RQ4 Wigner関数でモデル化された初期状態光子の横運動量分布が、観測された非同一平面角およびk⊥分布をどの程度説明できるか？
• RQ5 磁場効果を組み込んだ理論的モデルは、小k⊥およびαにおける観測された欠損を再現できるか？

主な発見

• 特に中央衝突において、非同一平面角およびk⊥分布のゼロ付近で顕著な欠損が観測され、統計的精度が向上した。
• 非同一平面角分布はミューオンの平均横運動量（¯pT）に強く依存するが、k⊥分布は¯pTにほぼ依存しない。
• k⊥分布はミューオンペアの2次イベント平面に対する向きに依存せず、磁場による偏光効果が支配的でないことを示した。
• k⊥分布は速さの差分|Δy|に依存せず、磁場効果によって予測されるtanh|Δy|依存性とは矛盾する。
• QEDに基づく計算が、Wigner関数モデルよりもデータをより正確に記述しており、観測された欠損よりも少ない欠損を予測する。
• 核のPDFを用いたSTARlightモデルは、特に中央衝突において測定されたγγ→μ⁺μ⁻断面積を低く見積もっている。