[论文解读] Acoplanarity of QED pairs accompanied by nuclear dissociation in ultra-peripheral heavy ion collisions

J. D. Brandenburg, W. Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2020

High-Energy Particle Collisions Research被引用 6

一句话总结

该论文提出，超外围重离子碰撞（UPCs）中的中子多重数可作为影响参数范围的实用实验标签，从而实现对QED产生双轻子对中影响参数依赖的横向动量展宽的精确测量。利用最低阶QED和等效光子近似（EPA），研究表明，对于中子发射更多的事件，非共面角（α）和⟨pT²⟩显著增加20–30%，为区分强子碰撞中的介质效应提供了关键基线。

ABSTRACT

This paper investigates the transverse momentum broadening effect for electromagnetic production of dileptons in ultra-peripheral heavy ion collisions accompanied by nuclear dissociation. The electromagnetic dissociation probability of nuclei for different neutron multiplicities is estimated, which could serve as a centrality definition (i.e. impact parameter estimate) in ultra-peripheral collisions. In the framework of lowest-order QED, the acoplanarity of dilepton pairs is calculated for different neutron emission scenarios in ultra-peripheral collisions, indicating significant impact-parameter dependence. The verification of impact-parameter dependence is crucially important to understand the broadening effect observed in hadronic heavy-ion collisions.

研究动机与目标

• 建立一种在超外围重离子碰撞（UPCs）中选择影响参数范围的实用实验方法，其中直接影响参数的测量不可行。
• 通过非共面角（α）和⟨pT²⟩量化QED产生双轻子对中影响参数依赖的横向动量展宽。
• 证明相互核激发，特别是中子发射，与影响参数密切相关，可在UPCs中用作中心度代理。
• 在无热密介质效应的情况下提供横向动量展宽的基线，以更清晰地识别强子碰撞中由介质引起的展宽。
• 验证对影响参数依赖基线测量的必要性，以正确解释STAR和ATLAS关于重离子碰撞中双轻子展宽的数据。

提出的方法

• 使用外部场近似下的最低阶QED计算，模拟通过γγ → l⁺l⁻机制在超外围碰撞中产生双轻子对。
• 应用等效光子近似（EPA）来模拟相对论性核中的光子通量，采用点电荷分布的Weizsäcker-Williams公式。
• 计算光子通量n(E,b)，作为影响参数b和光子能量E的函数，包含洛伦兹因子γ及修正贝塞尔函数K₀和K₁。
• 利用光致激发截面σγA→A*和光子通量，估算不同中子多重数（0n0n、>1n>1n等）的电磁 dissociation概率。
• 计算经事例接受度筛选且限制在pT² < 0.01以避免Sudakov效应的双轻子对的非共面角α和⟨pT²⟩分布。
• 通过质量依赖分布将对质量⟨Ml⁺l⁻⟩与影响参数相关联，表明较高对质量对应较小b和更强展宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 超外围重离子碰撞中的中子多重数能否作为影响参数范围的可靠代理？
• RQ2 双轻子对的非共面角（α）和横向动量展宽⟨pT²⟩如何随UPC中发射中子数的变化而变化？
• RQ3 QED过程中横向动量展宽的影响参数依赖性在多大程度上影响对强子碰撞中双轻子展宽的解释？
• RQ4 对质量分布能否作为UPC中影响参数排序的代理，从而实现实验上对影响参数范围的选择？
• RQ5 UPC中由于影响参数变化引起的基线展宽量级是多少？与强子碰撞中观测到的展宽相比如何？

主要发现

• 核激发产生的中子多重数为超外围重离子碰撞中影响参数范围提供了可行的实验标签。
• 中子发射较多的事件中，双轻子对的非共面角α和⟨pT²⟩分布显著展宽，表明在较小影响参数下展宽更强。
• 在(>1n >1n)情形下，⟨α⟩和⟨pT²⟩比(0n0n)情形高出20–30%，表明存在强烈的依赖影响参数效应。
• 不同中子发射情形下的平均影响参数⟨b⟩有显著差异，较小⟨b⟩对应更高的光子通量和更能量更高的双轻子产生。
• 对质量⟨Ml⁺l⁻⟩与影响参数强相关：平均对质量越高，表明b越小且展宽越强，从而可基于质量实现影响参数的选择。
• 展宽的影响参数依赖性在小b区域最显著，随着b减小，α和⟨pT²⟩急剧上升，凸显了在UPC中进行基线测量以分离介质效应的必要性。