[논문 리뷰] Multiplicity and transverse momentum dependence of charge-balance functions in pPb and PbPb collisions at LHC energies

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2340명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 46인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 LHC 에너지에서 pPb 및 PbPb 충돌에서 전하 균형 함수를 측정하여 입자 생성 역학과 집합성에 대해 탐구한다. √sNN = 8.16 TeV(pPb) 및 5.02 TeV(PbPb)에서 CMS 검출기 데이터를 사용하여, pT < 2 GeV 범위에서 다중도가 증가함에 따라 균형 함수 폭이 좁아지는 것을 발견하였으며, 이는 지연된 하드론화와 반경방향 유동 효과를 시사한다. 이와 같은 의존성은 고에너지 pT에서 관찰되지 않는다. 이러한 결과는 HYDJET, HIJING, AMPT와 같은 기존 몽테카를로 생성기들이 다중도 의존성을 올바르게 반영하지 못하고 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Measurements of the charge-dependent two-particle angular correlation function in proton-lead (pPb) collisions at a nucleon-nucleon center-of-mass energy of $\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 8.16 TeV and lead-lead (PbPb) collisions at$\sqrt{s_\mathrm{NN}}$ = 5.02 TeV are reported. The pPb and PbPb datasets correspond to integrated luminosities of 186 binv and 0.607 nb$^{-1}$, respectively, and were collected using the CMS detector at the CERN LHC. The charge-dependent correlations are characterized by balance functions of same- and opposite-sign particle pairs. The balance functions, which contain information about the creation time of charged particle pairs and the development of collectivity, are studied as functions of relative pseudorapidity ($\Delta \eta$) and relative azimuthal angle ($\Delta \phi$), for various multiplicity and transverse momentum ($p_\mathrm{T}$) intervals. A multiplicity dependence of the balance function is observed in $\Delta \eta$ and $\Delta \phi$ for both systems. The width of the balance functions decreases towards high-multiplicity collisions in the momentum region $\lt$2 GeV, for pPb and PbPb results. No multiplicity dependence is observed at higher transverse momentum. The data are compared with HYDJET, HIJING and AMPT generator predictions, none of which capture completely the multiplicity dependence seen in the data.

연구 동기 및 목표

• LHC 에너지에서 pPb 및 PbPb 충돌에서 전하 균형 함수의 다중도 및 영상운동량 의존성을 조사하기 위해.
• 하드론화 시기와 집합적 팽창의 역할을 포함한 충돌에서의 음이온 입자 생성 역학을 탐구하기 위해.
• 가짜속도 및 원형각 관련성을 통해 반경방향 유동과 매질 집합성의 영향을 균형 함수 폭에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• HYDJET, HIJING, AMPT 생성기의 예측과 실험 결과를 비교하여 이들의 균형 함수 행동 모델링 능력을 평가하기 위해.
• 균형 함수의 에너지 의존성을 고려하여 쿼크-글루온 플라즈마의 진화 및 하드론화 역학에 대한 함의를 추론하기 위해.

제안 방법

• 같은 부호 및 반대 부호의 충전 입자 쌍에 대해 상대적 가짜속도(∆η) 및 상대적 원형각(∆ϕ)에서 이중 입자 각도 상관관계를 측정한다.
• 입자 |η| < 2.4를 사용하여 주어진 ∆η 및 ∆ϕ 범위 내에서 균형 전하를 찾을 확률로 균형 함수를 정의한다.
• 다중도 및 영상운동량(pT) 간격으로 결과를 분할하여 시스템 크기와 운동학적 의존성에 대해 연구한다.
• 균형 함수 폭과 적분을 추출하여 전하 균형 비율과 순전하 변동성을 정량화한다.
• HYDJET, HIJING, AMPT 이벤트 생성기의 예측과 데이터를 비교하여 모델 성능을 평가한다.
• √sNN = 8.16 TeV(pPb) 및 5.02 TeV(PbPb)에서 결과를 비교하여 반경방향 유동과 지연된 하드론화에 대한 함의를 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pPb 및 PbPb 충돌에서 균형 함수 폭은 다중도와 영상운동량에 따라 어떻게 달라지나?
• RQ2 균형 함수의 다중도 의존성은 고에너지 충돌에서 입자 생성 및 하드론화 시기의 특성에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 반경방향 유동과 집합적 팽창은 균형 함수의 원형각 및 종방향 확산에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 pPb 및 PbPb 충돌에서의 균형 함수 결과는 HYDJET, HIJING, AMPT 생성기의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 중심질량 에너지가 높아질수록 균형 함수는 좁아지는가? 이는 쿼크-글루온 플라즈마 진화에 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• pPb 및 PbPb 충돌 모두에서 pT < 2 GeV 영역에서 다중도가 증가함에 따라 전하 균형 함수 폭이 감소하며, 이는 고다중도 시스템에서 전하 쌍의 생성 시기가 늦어짐을 시사한다.
• 다중도에 대한 전하 균형 비율의 경미한 의존성이 관찰되어 순전하 변동성이 시스템 크기와 동역학에 의해 조절됨을 시사한다.
• 고에너지 영상운동량(pT > 2 GeV) 영역에서는 다중도 의존성이 관찰되지 않아 고pT 영역에서 입자 생성 역학이 다름을 시사한다.
• √sNN = 5.02 TeV에서의 PbPb 충돌에서 균형 함수 폭이 8.16 TeV에서의 pPb 충돌보다 좁아졌으며, 이는 고에너지에서 반경방향 유동 증가와 지연된 하드론화가 강화됨을 일관되게 뒷받침한다.
• HYDJET, HIJING, AMPT 생성기는 관측된 균형 함수 폭의 다중도 의존성을 완전히 재현하지 못하여 집합성 및 후기 단계 하드론화 효과를 모델링하는 데 한계가 있음을 시사한다.
• 균형 함수 적분 결과에서 전하 균형 쌍의 비율이 다중도에 민감하게 반응함을 확인하여 국소 전하 보존과 매질 집합성이 상관관계 구조를 형성하는 데 기여하는 것을 지지한다.