[論文レビュー] Upcgen: a Monte Carlo simulation program for dilepton pair production in ultra-peripheral collisions of heavy ions

N. Burmasov, E. Kryshen+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 13

ひとこと要約

Upcgen は、真空中の核子の形ファクターを用いた改良された光子フラックス計算と光子の偏光効果を考慮した、超外部的重イオン衝突における二重レプトン対生成のためのモンテカルロイベントジェネレータである。このジェネレータは、調整可能な異常磁気モーメントを用いて二重レプトンおよび二重タウ生成を高精度にシミュレートでき、大ラピディティ領域におけるATLASデータとの整合性を著しく向上させ、将来のタウレプトンの異常磁気モーメントの高精度測定を支援する。

ABSTRACT

Ultra-peripheral collisions (UPCs) of heavy ions can be used as a clean environment to study two-photon induced interactions such as dilepton pair photoproduction. Recently, precise data on lepton pair production in UPCs were obtained by the ATLAS experiment at the LHC where significant deviations, of up to 20%, from available theoretical predictions were observed. In this work, we present a Monte Carlo event generator, Upcgen, that implements a refined treatment of the photon flux allowing us to improve the agreement with ATLAS data at large dilepton rapidities. Besides, the new generator offers a possibility to study photon polarization effects and set arbitrary values of the lepton anomalous magnetic moment that can be used in the future studies of tau g-2 via ditau production measurements in UPCs.

研究の動機と目的

• 超外部的衝突（UPC）における二重レプトン生成に関する理論的予測とATLAS実験データとの間の顕著な乖離（最大20％）を是正すること。
• 実際の核子の形ファクターを用いた光子フラックス計算の精緻化を通じて、二光子相互作用の理論的モデルを改善すること。
• 特に将来のタウレプトンの異常磁気モーメントの測定を想定し、レプトンの異常磁気モーメントを任意の値に設定可能な、正確な二重レプトン対生成のシミュレーションを可能にすること。
• 特に大ラピディティ領域で顕著な影響を及ぼす可能性がある光子の偏光効果を組み込むこと。
• LHC ラン3およびラン4における高精度研究を支援するため、バックグラウンド推定と感度解析に適した柔軟でオープンソースのツールを提供すること。

提案手法

• 最終状態レプトンの異常磁気モーメントを任意に設定可能な状態で、基本的な γγ → ℓℓ 戦略断面積を一般化された頂点形式を用いて計算する。
• 実際の核子の形ファクター（Woods-Saxon分布）に基づいた改良された光子フラックス処理を用いて、二光子の光度を計算し、小さな衝突パラメータの寄与を含む。
• 計算が計算的に高負荷であるため、2次元二光子光度ヒストограмをROOTファイルにキャッシュしてパフォーマンス最適化を実現する。
• 折りたたみ断面積に従って、二重レプトン対の運動量（質量、ラピディティ、横運動量）をモンテカルロイベント生成によりサンプリングする。
• 特にタウレプトンの崩壊をシミュレートするため、Pythia8 や Pythia6 を用いて最終状態放射と崩壊を処理する。
• 核種、センター・オブ・マスエネルギー、運動量カット、偏光効果などの入力パラメータをカスタマイズ可能にし、再現可能な乱数シードを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の核子の形ファクターを用いた光子フラックスの精緻な取り扱いにより、Pb–Pb UPC における大ラピディティ領域でのミュオン対生成に関する理論的予測とATLASデータとの乖離を是正できるか？
• RQ2 光子の偏光効果が、超外部的衝突における二重レプトン対生成断面積に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 Upcgen は、特にタウレプトン対生成において、任意の異常磁気モーメント値を用いて二重レプトン生成をどの程度正確にシミュレートできるか？
• RQ4 小さな衝突パラメータ（bγ < RA）の寄与を含めることで、STARlight や SuperChic よりも予測される断面積にどのような影響があるか？
• RQ5 Upcgen は、将来のLHC実験におけるタウレプトンの異常磁気モーメントの感度研究に信頼できるツールとして機能できるか？

主な発見

• Upcgen は、Pb–Pb 超外部的衝突における大ラピディティ領域での二重ミュオン生成について、従来のシミュレーションで観測された最大20％の乖離を是正し、ATLASデータとの整合性を著しく向上させた。
• STARlight で以前は除外されていた、小さな衝突パラメータ（bγ < RA）における光子放出の寄与を組み込むことで、二重レプトン断面積のより正確な記述が可能になった。
• 光子の偏光効果が微小でない影響を微分断面積に及ぼすことが示され、特に大ラピディティ領域で顕著であり、今やジェネレータに組み込まれている。
• ジェネレータは、任意の異常磁気モーメント値を用いた二重タウ対生成の高精度なシミュレーションを可能にし、将来のタウレプトンの g−2 の感度研究を支援する。
• 2次元光度ヒストограмをキャッシュすることで、計算効率が著しく向上し、高統計的精度を有する大規模なイベント生成が可能になった。