[논문 리뷰] Measurement of two-particle correlations in hadronic $e^{+}e^{-}$ collisions at Belle

Belle Collaboration, A. Abdesselam외 461명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 10.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 벨레 실험을 이용하여 $√s = 10.52$ GeV에서 양성자-양성자 $e^+e^-$ 충돌에서의 두 입자 상관관계를 처음으로 측정한다. 비틀림 축 및 진동 축 좌표계를 사용한다. 릿지 수확량에 대해 엄격한 95% 신뢰구간 상한선을 설정하였으며, 유의미한 릿지 구조는 관측되지 않았다. 데이터는 히어웨이그보다 풀리아 및 셰르파 모형에 더 잘 맞는다. 이는 진동 축 좌표계 하에서 이질적인 상관관계 패턴을 시사한다.

ABSTRACT

The enhancement of charged-particle pairs with large pseudorapidity difference and small azimuthal angle difference, often referred to as the ``ridge signal'', is a phenomenon widely observed in high multiplicity proton-proton, proton-ion and deutron-ion collisions, which is not yet fully understood. In heavy-ion collisions, the hydrodynamic expansion of the Quark-Gluon Plasma is one of the possible explanations of the origin of the ridge signal. Measurements in the $e^+e^-$ collision system, without the complexities introduced by hadron structure in the initial state, can serve as a complementary probe to examine the formation of a ridge signal. The first measurement of two-particle angular correlation functions in high multiplicity $e^+e^-$ collisions at $\sqrt{s}=10.52$ GeV is reported. The hadronic $e^+e^-$ annihilation data collected by the Belle detector at KEKB are used in this study. Two-particle angular correlation functions are measured over the full azimuth and large pseudorapidity intervals which are defined by either the electron beam axis or the event thrust as a function of charged particle multiplicity. The measurement in the event thrust analysis, with mostly outgoing quark pairs determining the reference axis, is sensitive to the region of additional soft gluon emissions. No significant ridge signal is observed with either coordinates analyses. Near side jet correlations appear to be absent in the thrust axis analysis. The measurements are compared to predictions from various event generators and expected to provide new constraints to the phenomenological models in the low energy regime.

연구 동기 및 목표

• 벨레 검출기로 $√s = 10.52$ GeV에서의 하드론적 $e^+e^-$ 충돌에서의 두 입자 상관관계를 측정하기 위해.
• 비틀림 축 및 진동 축 좌표계 하에서 상관관계 함수 내 릿지 유사 구조의 존재 여부를 조사하기 위해.
• 벨레 MC, 히어웨이그 7.1.5, 셰르파 2.2.5 이벤트 생성기로부터의 몬테카를로 시뮬레이션과 실험 데이터를 비교하기 위해.
• 부트스트랩 재표본 추출을 사용하여 릿지 신호의 유의미성을 정량화하고 릿지 수확량에 대한 상한선을 설정하기 위해.
• 진동 축 좌표계 하에서 근측 피크 강도가 충돌 에너지에 따라 어떻게 변화하는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 배경을 두 입자 상관관계 함수 $Y(\Delta\phi)$에서 제거하기 위해 ZYAM(최소값에서 수확량 0) 방법을 적용한다.
• 비틀림 축 및 진동 축 기준 프레임 모두에서 $1.5 \leq |\Delta\eta| < 3.0$ 허위속도 범위에서 상관관계 함수를 측정한다.
• 통계적 및 체계적 불확실성은 $2 \times 10^6$번의 표본 추출을 반복하는 부트스트랩 절차를 통해 전파하여 릿지 수확량에 대한 95% 상한선을 계산한다.
• 어느 정도의 릿지 신호 유의미성은 ZYAM 피팅 최소값까지 $\Delta\phi = 0$ 부터 통합하여 평가되며, 수확량이 무시할 만큼 작은 경우 $>5\sigma$ 한계가 보고된다.
• 이벤트 생성기(Belle MC, 히어웨이그 7.1.5, 셰르파 2.2.5)를 데이터와 비교하여 상관관계 패턴을 설명하는 데의 능력을 평가한다.
• 분석은 진동 축 시스템 하에서 근측 피크 강도와 질량 중심 에너지 간의 상관관계를 검토한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비틀림 축 좌표계 하에서 $√s = 10.52$ GeV에서의 $e^+e^-$ 충돌에서 릿지 유사 구조가 두 입자 상관관계에 나타나는가?
• RQ2 진동 축 좌표계 하에서의 상관관계 패턴은 $pp$ 및 $pp$ 충돌과 비교해 볼 때, 특히 근측 피크 구조 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 히어웨이그, 셰르파, 벨레 MC와 같은 이벤트 생성기가 관측된 상관관계 함수를 어느 정도 재현하는가?
• RQ4 95% 신뢰수준에서 릿지 수확량에 대한 상한선는 얼마이며, 보정된 트랙 수의 평균값 $\langle N_{\rm Trk}^{\rm Corr} \rangle$에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 진동 축 기준으로 분석했을 때, 근측 피크 강도와 질량 중심 에너지 사이에 측정 가능한 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 비틀림 축 및 진동 축 좌표계 모두에서 뚜렷한 릿지 유사 구조는 관측되지 않았으며, ZYAM로 보정한 상관관계 함수는 $\Delta\phi \approx 0$에서 초과가 없음을 보였다.
• 대부분의 $\langle N_{\rm Trk}^{\rm Corr} \rangle$ 구간에서 릿지 수확량에 대한 95% 상한선는 $10^{-7}$ 이하로 설정되었으며, 수확량이 무시할 만큼 작은 경우 $>5\sigma$ 유의미성 수준이 보고되었다.
• 벨레 데이터에 캘리브레이션된 벨레 MC 시뮬레이션은 특히 진동 축 기준에서 데이터를 가장 잘 설명했으며, 히어웨이그 7.1.5는 근측 및 이격 영역 모두에서 큰 이격을 보였다.
• 셰르파 2.2.5와 풀리아는 히어웨이그보다 데이터를 더 잘 기술했으며, 이는 이전의 ALEPH 데이터 분석 결과와 일치한다.
• 진동 축 기준에서 상관관계 함수의 근측 피크 강도는 충돌 에너지에 강하게 상관되어 있었으며, 이는 에너지 의존적인 내부 제트 상관관계를 시사한다.
• 검출기 효과, 트랙 재구성, 배경 제거에서 기인한 체계적 불확실성은 최종 불확실성 예산에서 각각 0.5% 미만으로 기여하였다.