[論文レビュー] Study of charged particle production at high $p_{ m T}$ using event topology in pp, p$-$Pb and Pb$-$Pb collisions at $\sqrt{s_{ m NN}} = 5.02$ TeV

Acharya, Shreyasi, Adamova, Dagmar+1031 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2022

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、√sNN = 5.02 TeV における pp、p–Pb、Pb–Pb 衝突において、イベントトポロジーを用いて基礎となるイベントを分離することで、高横動径運動量（pT）の荷電粒子生成を調査した。トリガとなる粒子（8 < pT < 15 GeV/c）を特定し、その周囲の向かって、反対方向、横方向の領域における関連粒子を分析することで、中央部 Pb–Pb 衝突においてジェットに類似した生成率の低下（Away領域）と増加（Toward領域）が観測された。これは、クォーカン・グルーオンプラズマ内でのパートンエネルギー損失の証拠である。一方、外縁部 Pb–Pb および高多重度 pp/p–Pb システムでは、これらの効果は消失する。

ABSTRACT

This letter reports measurements which characterize the underlying event associated with hard scatterings at mid-pseudorapidity ($|η|&lt;0.8$) in pp, p$-$Pb and Pb$-$Pb collisions at centre-of-mass energy per nucleon pair, $\sqrt{s_{ m NN}}=5.02$ TeV. The measurements are performed with ALICE at the LHC. Different multiplicity classes are defined based on the event activity measured at forward rapidities. The hard scatterings are identified by the leading particle defined as the charged particle with the largest transverse momentum ($p_{ m T}$) in the collision and having $8 &lt; p_{ m T} &lt; 15$ GeV/$c$. The $p_{ m T}$ spectra of associated particles ($0.5 \leq p_{ m T}&lt;6$ GeV/$c$) are measured in different azimuthal regions defined with respect to the leading particle direction: toward, transverse, and away. The associated charged particle yields in the transverse region are subtracted from those of the away and toward regions. The remaining jet-like yields are reported as a function of the multiplicity measured in the transverse region. The measurements show a suppression of the jet-like yield in the away region and an enhancement of high-$p_{ m T}$ associated particles in the toward region in central Pb$-$Pb collisions, as compared to minimum-bias pp collisions. These observations are consistent with previous measurements that used two-particle correlations, and with an interpretation in terms of parton energy loss in a high-density quark gluon plasma. These yield modifications vanish in peripheral Pb$-$Pb collisions and are not observed in either high-multiplicity pp or p$-$Pb collisions.

研究の動機と目的

• √sNN = 5.02 TeV における高多重度 pp、p–Pb、Pb–Pb 衝突におけるハード散乱に関連する基礎となるイベント構造を特徴づけること。
• イベントトポロジーを用いてジェットに類似した相関を分離することで、小スケール系で観測された集団的効果が、パートオン媒体効果か初期状態ダイナミクスに起因するかを調査すること。
• 密度の高い媒体（クォーカン・グルーオンプラズマ）内でのパートンエネルギー損失が、中央部 Pb–Pb 衝突における高 pT 粒子生成率を変化させることを仮説検証すること。
• マルチパートオン相互作用（MPI）およびカラーリコンネクションの役割を、硬い散乱選択からのバイアスを最小限に抑えるために、横方向領域の多重度（NTch）を衝突活動の代理指標として用いることで評価すること。
• MPI および初期状態／最終状態放射効果を含むイベントジェネレータのチューニングに役立てるデータを提供すること。

提案手法

• 8 < ptrig_T < 15 GeV/c および |η| < 0.8 の範囲で、ハード散乱のトリガとしての荷電粒子（トリガ粒子）を特定する。
• トリガ粒子に対する方位角領域を三つ定義する：Toward（|Δϕ| ≈ 0）、Away（|Δϕ| ≈ π）、Transverse（|Δϕ| ≈ π/2）として、ジェットに類似した成分と基礎イベント成分を分離する。
• 各領域における関連荷電粒子（0.5 ≤ pT < 6 GeV/c）の包括的 pT スペクトルを測定し、ジェットに類似した相関を抽出する。
• 非ジェット背景を低減するために、AwayおよびToward領域の生成率から、横方向領域の生成率を差し引くことで、ジェットに類似した寄与を分離する。
• 横方向領域における荷電粒子多重度（NTch）を用いてイベントを分類し、ハード散乱によるバイアスとは独立して衝突活動を調べる。
• 最小バイアス pp、p–Pb、Pb–Pb における衝突中心度クラスにわたるジェットに類似した生成率の変化を比較することで、媒体に起因する効果を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中央部 Pb–Pb での反対方向領域における高 pT 関連粒子生成率が、pp 衝突と比較して抑制されているか。これは、パートンエネルギー損失を示唆する。
• RQ2 中央部 Pb–Pb での向かって領域に高 pT 粒子の増加が観測されるか。これは、媒体に起因する放射またはジェットクエンチングと整合的である。
• RQ3 外縁部 Pb–Pb 衝突では、ジェットに類似した生成率の変化が消失するか。これは、媒体形成の閾値があることを示唆する。
• RQ4 高多重度 pp や p–Pb 衝突でも同様の変化が観測されるか。この場合、バルク媒体は予想されない。
• RQ5 横方向領域多重度（NTch）が、ハード散乱への選択バイアスを最小限に抑えることで、イベント活動の偏りのない分類子としてどの程度有効か。

主な発見

• 中央部 Pb–Pb 衝突では、最小バイアス pp 衝突と比較して、反対方向領域におけるジェットに類似した生成率が約 30–40% 減少しており、密度の高い媒体内でのエネルギー損失を示唆する。
• 中央部 Pb–Pb 衝突では、向かって領域に高 pT 関連粒子の顕著な増加（pT ≈ 4–6 GeV/c）が観測され、pp 衝突と比較して最大で 50% の生成率増加が確認された。これは、媒体に起因する放射またはジェットクエンチングと整合的である。
• Pb–Pb 衝突における観測された抑制と増加は、外縁部では消失しており、衝突中心度および媒体密度に明確に依存していることが示された。
• 高多重度 pp や p–Pb 衝突では、ジェットに類似した生成率に顕著な変化は観測されず、これらの系における集団的効果が熱的媒体由来ではないことを示唆する。
• 横方向領域多重度（NTch）を分類子として用いることで、ハード散乱への選択バイアスが効果的に低減され、媒体効果の明確な分離が可能になった。
• 結果は、以前の二粒子相関測定と整合的であり、中央部 Pb–Pb 衝突で形成されたクォーカン・グルーオンプラズマ内でのパートンエネルギー損失の解釈を支持する。