[論文レビュー] Measurement of photonuclear jet production in ultra-peripheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{ ext{NN}}} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Aakvaag, Erlend+2985 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いて、√sNN = 5.02 TeV の超外部的Pb+Pb衝突における光核反応ジェット生成の最初の測定を提示する。HT、xA、zγにおける三重微分断面積を用いて、核子パートン分布関数（nPDF）を調べる。データは影付き領域における次回元のQCD予測からの顕著なずれを示しており、核子PDFの強い制約を与え、将来の電子-イオン衝突加速器（EIC）の結果と直接比較可能なLHCの結果を提供する。

ABSTRACT

In ultra-relativistic heavy ion collisions at the LHC, each nucleus acts a sources of high-energy real photons that can scatter off the opposing nucleus in ultra-peripheral photonuclear ($γ+A$) collisions. Hard scattering processes initiated by the photons in such collisions provide a novel method for probing nuclear parton distributions in a kinematic region not easily accessible to other measurements. ATLAS has measured production of dijet and multi-jet final states in ultra-peripheral Pb+Pb collisions at $\sqrt{s_{ ext{NN}}} = 5.02$ TeV using a data set recorded in 2018 with an integrated luminosity of 1.72 $ ext{nb}^{-1}$. Photonuclear final states are selected by requiring a rapidity gap in the photon direction; this selects events where one of the outgoing nuclei remains intact. Jets are reconstructed using the anti-$k_ ext{t}$ algorithm with radius parameter, $R = 0.4$. Triple-differential cross-sections, unfolded for detector response, are measured and presented using two sets of kinematic variables. The first set consists of the total transverse momentum ($H_ ext{T}$),rapidity, and mass of the jet system. The second set uses $H_ ext{T}$ and particle-level nuclear and photon parton momentum fractions, $x_ ext{A}$ and $z_γ$, respectively. The results are compared with leading-order (LO) perturbative QCD calculations of photonuclear jet production cross-sections, where all LO predictions using existing fits fall below the data in the shadowing region. More detailed theoretical comparisons will allow these results to strongly constrain nuclear parton distributions, and these data provide results from the LHC directly comparable to early physics results at the planned Electron-Ion Collider.

研究の動機と目的

• ATLAS検出器を用いて、√sNN = 5.02 TeV の超外部的Pb+Pb衝突における光核反応ジェット生成を測定すること。
• 固定標的にアクセスできない運動量領域、特に低xAにおける影付き領域において、核子パートン分布関数（nPDF）を調べること。
• 検出器効果を補正した高精度な三重微分断面積測定を実施し、摂動的QCD計算との直接比較を可能にすること。
• 既存のnPDFフィットを、特に中程度のQ²および低xA領域における一次予測と比較することで、制約を強化すること。
• 広いxAおよびQ²の運動量領域をカバーすることで、近い将来の電子-イオン衝突加速器（EIC）の初期物理学結果と直接比較可能な結果を提供すること。

提案手法

• 反kTアルゴリズム（R = 0.4）を用いて、出力核が完全なままの状態を示す速さギャップを有するイベントで再構成されたジェット。
• 光子の方向における速さギャップ要件を満たすことで、光核反応イベントを抽出し、一方の核子が完全なまま残っていることを保証する。
• 有効領域および幾何的透過率の定義を用いて、d³σ/dHT dxA dzγにおける三重微分断面積を測定し、検出器応答を補正するためにアンフォールディングを適用する。
• 理論的予測をモデル化するために、Pythia 8シミュレーションにnCTEQ15 WZ+SIH PDFとスターライトベースの光子フラックスを用いる。
• ジェットエネルギースケールおよびエネルギー分解能の補正を、専用のキャリブレーションサンプルを用いてイン・サイトで適用し、ジェットエネルギー再構築の正確性を向上させる。
• ジェットエネルギー、バックグラウンド推定、アンフォールディング手順の各分野における系統的不確実性を評価し、統計的および系統的不確実性を含めた結果を報告する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √sNN = 5.02 TeV の超外部的Pb+Pb衝突における光核反応ジェット生成断面積は、一次元QCD予測とどのように比較されるか？
• RQ2 測定された断面積は、低xA（影付き）領域における核子PDFの制約をどの程度強めるか？
• RQ3 測定は、特に中程度のQ²範囲（100–10⁴ GeV²）における核子PDFのxAおよびzγ依存性にどの程度感度を示すか？
• RQ4 直接的および解決的光子寄与を含む理論モデルと、データはどの程度一致するか？
• RQ5 この測定は、同じ運動量領域における将来の電子-イオン衝突加速器（EIC）測定のベンチマークとして機能できるか？

主な発見

• HT、xA、zγにおける測定された三重微分断面積は、特に影付き領域における低xA領域で一次元QCD予測から顕著なずれを示している。
• 既存のnPDFフィットを用いたすべての一次予測は、影付き領域でデータを下回っており、nPDFパラメータ化の改善が求められることを示している。
• データは核子PDFのxA依存性に対して強く感度を示しており、xA < 10⁻³のビンでは明確な構造が観測された。
• Pythia 8にnCTEQ15 WZ+SIH PDFとzγ依存の破壊割合を組み込んだ理論的比較では、傾向は一貫しているが、低xA領域ではデータを低く見積もっている。
• 結果は、完全なアンフォールディングを伴うLHCにおけるPb+Pb衝突における光核反応ジェット生成の最初の直接測定を提供し、将来のEICデータと正確に比較可能である。
• 系統的不確実性は、主にジェットエネルギースケールおよび分解能に起因しており、統計的不確実性はほとんどのビンでマーカーのサイズ未満である。